从“慢炖”到“爆炒”：科学家用一个数学模型，给所有燃烧方式画

探索宇宙奥秘 · 理性思考

想象一下厨房里的天然气灶。

蓝色火焰安静地舔着锅底，这是温和的燃烧。如果把厨房密闭，不小心积累了大量燃气，一点火星就可能引发爆炸，那是摧毁性的爆轰。

这两种现象，本质上都是燃烧。但从“慢炖”到“爆炒”再到“炸厨房”，这中间到底发生了什么？火焰是如何从温柔的亚音速，突然“变脸”成摧枯拉朽的激波的？

这个问题，困扰了科学家一百多年。而就在2026年2月26日，俄罗斯斯科尔科沃科技学院的研究团队在《Physica D： Nonlinear Phenomena》期刊上发表了一项研究，他们用一个相对简单的数学模型，不仅理清了所有燃烧波的“族谱”，还为预测那个要命的“爆燃向爆轰转变”铺平了道路 。

要理解这个模型的厉害之处，我们得先认识一下燃烧家族的几位核心成员。科学家们根据火焰传播的速度和方式，把它们分成了几类。

第一种是普通火焰，也就是爆燃。这是我们最熟悉的，比如壁炉里的木柴、发动机里的油气混合物。它的传播速度很慢，低于音速。你可以把它想象成一场接力赛，前面燃烧释放的热量，一点点传给旁边的“冷板凳”选手，把它加热到着火点，比赛才能继续。速度完全取决于热量传递的效率。

第二种是强爆轰。这是绝对的“力量派”。它是一道以超音速飞驰的激波，所到之处，气体被瞬间压缩、加热到极高温度，直接引发化学反应。这种波极其稳定，破坏力也最强，是爆炸事故中主要的“凶手”。

第三种和第四种就比较罕见了，分别叫弱爆轰和弱爆燃。它们没有那种尖锐的激波前锋，反应的发生依赖于混合物已经被预热到了某个“临界温度”。这两种状态非常“脆弱”，稍微有点风吹草动，要么熄火，要么瞬间转变成其他形式。

这项研究的最核心成果，就是利用他们的新模型，在数学上严格地定义并区分了这四种燃烧波，给它们画出了一张清晰的“全家福” 。

斯科尔科沃团队的巧妙之处在于，他们没有去求解这个“巨无霸”方程组，而是构建了一个高度简化，但抓住了物理本质的“低配版”模型 。他们用了两个互补的工具：先用数学推导出描述火焰结构的近似公式，看清“大势”；再用计算机做精确的数值模拟，验证“细节”。

结果令人惊喜。这个简化模型算出来的结果，跟用完整纳维-斯托克斯方程算出来的结果高度一致 。这说明，他们成功地剥离了复杂的细枝末节，直击了燃烧现象的核心物理规律。

这就好比你要画一只猫。不用每一根毛都纤毫毕现，只要抓住它的轮廓、动态和神韵，寥寥数笔，大家一看就知道那是猫。这个模型，就是抓住了燃烧波的“神韵”。

如果说梳理“族谱”是理论上的成就，那么这个模型的真正价值，在于它打开了研究“爆燃向爆轰转变”的大门 。

从安全的普通火焰，突然跃变为毁灭性的爆轰，这个过程充满了未知。它是如何触发的？在什么条件下会发生？有没有办法提前预警或阻止？

在此之前，科学家们研究这个问题，有点像在伸手不见五指的迷宫里摸索。而现在，这个新模型提供了一张地图。虽然地图是简化的，但它标出了关键的路径和分叉口。研究团队下一步就可以用这个模型，去系统研究这些燃烧状态的稳定性，以及它们之间是如何相互转化的。

这对现实世界意义重大。在设计更高效的航空发动机（比如利用爆轰波的冲压爆轰发动机）时，我们需要精准地驾驭爆轰；而在化工厂、煤矿的安全防护中，我们又需要千方百计地阻止它的发生。这个模型，正是未来解决这些问题的“指南针”。

那么，这项来自俄罗斯的研究，跟我们中国科学家的工作有什么关系？关系非常紧密。可以说，在燃烧与爆轰这个关乎能源与安全的重大领域，中国科研力量正处在理论与应用的最前沿。

当俄罗斯科学家在理论上对燃烧波进行精确分类时，中国的科学家正在探索如何将这些理论应用于国家最迫切的能源战略中。例如，西安交通大学和天津大学的团队正在研究掺氢和氨燃料燃烧的提质增效与安全机理 ；北京大学和国防科技大学的团队则在攻坚湍流燃烧和超声速燃烧的难题 。

俄罗斯的这项工作，像是给燃烧画了一幅“宏观作战地图”；而中国的这些研究，则像是在具体“战役”中攻克关键据点。两者相辅相成。前者为后者提供了理论基础和预测工具，帮助理解在不同燃料、不同条件下，燃烧波会如何演变；后者则为前者提供了验证和挑战，真实世界中复杂的化学反应和流动现象，会反过来推动理论模型的完善。

总的来说，斯科尔科沃团队的这项研究，让我们看到了用简洁数学语言描述复杂世界的魅力。它不仅让我们对燃烧这个古老现象有了更通透的理解，更关键的是，它把“如何从温和燃烧走向灾难性爆炸”这个黑箱打开了一条缝。对于正在能源转型关键期、大力发展氢能等零碳燃料的中国来说，这样的基础研究，正是确保我们既能“用得上”，又能“用得安”的关键知识基石。