藍色火龍捲

生活科學趣談

通常教師示範火龍捲是使用可旋轉的鐵網,Steve Mould 則是以茶蠟(加溫下午茶的那種小蠟燭)的鋁製外殼裝入Zippo打火機油,然後將側邊具有網孔的垃圾桶放在轉盤上來製造出漂亮的火龍捲

先來聊聊火龍捲產生的機制,由於熱空氣上升所造成的桶內低壓,桶外的冷空氣就能透過側邊的孔洞進入其中來提供助燃物以協助燃燒(這也是燒金桶會在側邊挖洞的原因)。一旦旋轉桶身時,由於《加速坐標系中的等效重力場》之機制,一如上飄的氣球會往旋轉中心傾斜,燃燒而上飄的火焰亦復如此,於是火焰就會被推往旋轉中心而形成細長的柱狀。若不使用旋轉的機制,也可以利用剖半的2個半圓柱體來協助,這是藉由彼此shift一段距離,造成進入的冷空氣自動形成旋繞的氣流來達成

氧炔焰在剛開始點火時會有明亮的黃色火焰,這是氧氣還沒混進來時所產生黑煙中的碳微粒因灼熱而發光,一旦調整氧氣至適當混比時,黃色火焰就會轉為帶有嘶吼聲的藍色火焰,這種火焰近乎於完全燃燒狀態(無煙燃燒)

一般的火龍捲由於氧氣無法有效從焰心底部混進來,因此很難呈現出無煙燃燒的藍色火焰。不過馬里蘭大學消防工程系的研究團隊透過將燃料注入水面上的方式,成功製造出藍色的火龍捲

為何藉由火焰下方的水膜能讓燃料接近於完全燃燒的狀態,目前詳細機制仍然未明,有興趣的同學或可拿來當作專題研究的題材。我個人猜測或許類似於燃料微胞化/微乳化的機制,因為重油在鍋爐中常有燃燒不完全而產生黑煙的狀況,但是若在重油中混水加以乳化,所產生的「油包水」微胞在燃燒時,由於其中水滴的汽化(註:水在100℃變成水蒸氣時,體積會膨脹1700倍),就能將燃油霧化成更細微的油滴,提高了燃料與空氣接觸的總表面積,從而更接近完全燃燒而降低黑煙的產生

參考資料:Blue Whirl: Scientists Discover New Type of Fire Tornado