日本东北大学的研究人员在1月18日发表在《流体物理学》（Physics of Fluids）杂志上的一项研究中，从理论上将燃烧系统中的点火和爆燃联系起来，由于可能存在任意数量的稳态解，从而为稳定、高效的内燃机提供了新的构型。
　　东北大学流体科学研究所的森井友希说：“内燃机是二氧化碳排放的重要来源，这项研究通过提高内燃机的效率，直接应对了减少二氧化碳排放的挑战。”
　　流体科学研究所的丸田薰说：“更好地了解燃烧动力学也将有助于开发更安全、更可持续的工程解决方案。燃烧动力学涉及复杂的耦合流体和化学反应。研究人员利用计算流体力学帮助他们更好地理解和控制这一过程。”
　　如果能利用一种在稳态下稳定运行并对微小扰动有一定容差范围的系统，就能简化燃烧器的结构和控制，提高新型燃烧器设计商业化的可行性。
　　为了探索这一概念，东北大学的研究人员考虑了一个简单的一维反应流系统，其中未燃烧的预混合气体从左侧入口边界进入燃烧室，而燃烧的气体或爆燃波从右侧出口边界排出。
　　迄今为止的工作理论认为，只有当入口速度与爆燃波（以亚声速传播）或爆轰波（一种冲击反应，流出的火焰以超声速传播）的速度相匹配时，才存在稳态解。
　　然而，这一传统观点是建立在预热区的化学反应可以忽略不计的假设之上的。最近的研究强调了所谓“自燃辅助火焰”的重要性，即在炽热的未燃烧预混合气体混合物中传播的爆燃在火焰前方化学反应的帮助下会加快传播速度。这表明，有许多稳态解决方案会影响气体在爆燃前的停留时间。
　　在这些发现的基础上，东北大学的研究人员设计了一种理论，成功地弥合了点火波和爆燃波之间的差距，揭示了在考虑自燃反应波时可能存在的其他稳态解——这种波在预热区受到点火的影响，但行为类似于爆燃波。
　　森井友希说：“与亚声速一维系统中爆燃波只存在一个单一稳态解的普遍观点相反，我们的方法将无数个这样的解假定为自燃反应波，断定点火和火焰是内在联系的。”
　　这意味着稳态解不仅存在于入口速度与爆燃或爆轰波速度相匹配的两点，而且如果考虑自燃条件，还存在于更广阔的区域。
　　研究小组进一步将理论扩展到涉及超声速入口速度的情况。在超声速状态下，传统的理解是，只有当入口速度与引爆波速度相匹配时，才有可能实现稳态求解。然而，鉴于自燃反应波源于零维点火，研究人员认为它应该与入口速度无关。
　　森井友希说：“我们提出，即使在超声速条件下，自燃反应波也存在无限多个稳态解。”
　　通过从理论上将点火和火焰联系起来，现在可以从一个新的角度来考虑发动机了。考虑到点火现象，就有可能实现更稳定的燃烧，从而产生比传统发动机更高效的新发动机概念。
　　森井友希表示：“这项关于稳定自燃反应波的工作标志着一项根本性突破，有可能彻底改变燃烧系统的设计，尤其是在超声速燃烧领域。”
　　虽然理论和数值结果提供了一种新的发动机概念，但尚未得到实验验证。因此，研究小组计划通过联合研究进一步进行实验验证，将研究成果应用于实际发动机。 （逸文）