近日，东南大学能源与环境学院段伦博教授、王越明副教授团队在国际顶级学术期刊《Combustion and Flame》发表了题为“A comparison study between Lorentz force and Kelvin force of heavily seeded diffusion flames”最新研究成果。

磁场调控燃烧作为一种无需接触的外场调控手段，在火焰稳定性控制、污染物减排以及新型燃烧技术中展现出潜在应用前景。开尔文力（Kelvin force）被普遍认为是静磁场影响火焰和燃烧过程的主要作用机制，这一点在现有研究中已基本形成共识。该力本质上来源于物质的磁性差异，由于氧气在常见气体中具有较强的顺磁性，磁场能够通过开尔文力改变局部流动与氧气分布，从而进一步影响对流过程和化学反应路径。相比之下，另一种经典电磁力——洛伦兹力（Lorentz force）虽已被大量研究证实是直流电场作用于火焰的核心机制（即“离子风效应”），但在静磁场条件下其作用却鲜有报道。这主要是因为，相较于直流电场，磁场的等效作用强度较弱，其产生的力效应通常难以直接观测。因此，目前对于静磁场中洛伦兹力是否能够对火焰产生可观测影响，以及在何种条件下变得重要，仍缺乏清晰认识。

为验证并定量对比静磁场中洛伦兹力的作用，本研究通过向火焰中引入钾元素，提高体系的电离程度和正负离子浓度，从而有效增强洛伦兹力效应。在此基础上，系统开展了磁场作用下火焰行为的实验观测，对比分析了开尔文力与洛伦兹力在火焰结构演化中的不同作用特征。实验上采用狭缝扩散火焰燃烧器，并结合可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）对火焰中钾原子浓度进行测量，同时利用反应动力学模型对火焰前沿的离子分布、电导率等关键物理量进行反演和计算，从而建立起“流动—反应—电磁”耦合分析框架。

实验装置示意图

研究结果表明，开尔文力主要导致火焰发生对称形变，表现为火焰高度降低、横向展宽以及整体结构被压缩，其作用强度主要取决于磁场强度和流动惯性，而对离子浓度变化不敏感。相比之下，洛伦兹力则表现为火焰沿特定方向发生非对称偏转，且该效应随着离子浓度的提高而显著增强。进一步分析发现，驱动这种偏转的主要机制并非感应电流，而是由正离子随流动迁移形成的对流电流，即类似“离子风”的动量传递过程。

洛伦兹力作用模型

此外，研究首次给出了洛伦兹力作用显著性的判据：当Stuart数超过约0.008时，洛伦兹力对火焰形态的影响开始变得不可忽略；而在更低范围内，其作用可以忽略不计。同时还发现，开尔文力与洛伦兹力之间并非完全独立——当火焰产生初始偏转后，开尔文力会进一步放大这种不对称性，从而增强整体偏转效果。（内容来源：Scale Energy Lab，2026.3.5）

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2026.114888