Blå virvlar är ett virvlande lågfenomen som utvecklas från en kaotisk eldvirvel och brinner med nästan sotfri förbränning. Superdatorsimuleringar har avslöjat den blå virvelns flamstruktur och flödesstruktur. (A) Volymåtergivning av värmeavgivningshastigheten från de numeriska simuleringarna. (B) Schematiskt diagram som sammanfattar ett slutresultat av den blå virvelsimuleringen som visar kombinationen av tre olika typer av lågor. (C) Observerad blå virvel. Kredit:H. Xiao, University of Science and Technology i Kina.
Blixten slog ner i ett bourbonlager, sätta eld på en cache på 800, 000 liter sprit på landsbygden i Bardstown i Kentucky 2003. En del av det rann ut i en närliggande bäck, skapar en massiv brandtornado, eller 'bourbonado, som rapporterats lokalt.
Flygvideo av det inspirerade forskare att undersöka eldvirvlar, tornados av eld, som något lovande för oljesanering eftersom kolvätena brann med relativt lite sot.
Deras brandvirvelundersökningar i labbet ledde till att de hittade något som förvånade dem. Den kaotiska och farliga eldvirveln förvandlades till en tam och ren brinnande låga som de kallar en "blå virvel."
En av dess upptäckare är nu på ett vetenskapsteam som använder superdatorer som tilldelats av Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) för att avslöja strukturen av den blå virveln, en ny typ av låga som består av fyra separata lågor. Forskarna hoppas att blå virvlar en dag kan användas för att bränna bränslen renare.
"Huvudfynden av denna nya beräkningsstudie är att vi nu känner till huvudstrukturen för den blå virveln, " sa Elaine Oran, professor och O'Donnell Foundation ordförande VI, Institutionen för flygteknik, Texas A&M University. Oran är en medupptäckare av den blå virveln och medförfattare till en studie om dess struktur publicerad i PNAS , augusti 2020. "Vi vet att det är en kombination av många typer av lågor som går samman och formar sig till den förmodligen mest idealiska konfigurationen för att bränna, som vi hade sett förut."
Övergång från poolbrand till gula och blå virvlar med fast initialt bränslelager (heptan). Denna representativa film visar övergången från en poolbrand till en blå virvel och utvecklingen av den blå virveln under flytande kolvätebränsle som brinner över vatten. Kredit:Xiao et al., PNAS . 2016. 113:9457-9462 DOI:10.1073/pnas.1605860113
En blå virvel är besläktad med en snurrande blå låga som ser ut som ett barns leksakstopp. Oran säger att toppen av den har samma form som sorteringshatten från Harry Potter. Det mesta av dess bränning sker längs en mycket ljusblå kant som snurrar.
Forskarna använde experimentella data från 2016 års studie som först upptäckte den blå virveln. Den experimentella uppställningen bestod av två halvcylindrar och en cylindrisk panna av rostfritt stål full med vatten. Ett flytande bränsle, n-heptan, hälldes på ytan av stillastående vatten i mitten av pannan och antändes sedan. Två halvcylindrar av kvarts hängdes över pannan. Förskjutning av halvcylindrarna skapade två vertikala slitsar som gjorde att luft kunde dras in tangentiellt till flamområdet, en vanligen använd för att skapa eldvirvlar för laboratoriestudier.
En kaotisk poolbrand bildades först. Kall luft som drogs in i kammaren skapade ett starkt vertikalt flöde och skapade sedan en hög och intensiv eldvirvel. Sedan, oväntat, den kollapsade in i den lugna blå virvellågan.
"Vi studerade strukturen för denna nya låga genom den numeriska simuleringen, och vi fick reda på vilken typ av bränning, och var de förekommer, " sa studiens medförfattare Xiao Zhang, postdoktorand forskare, Institutionen för flygteknik, Texas A&M University, som jobbar för Oran.
Superdatorsimuleringar hjälpte till att reta ut den blå virvelns struktur, som visar sig vara gjord av tre typer av lågor. I botten finns en rik förblandad låga, krönt på toppen med en lila hattformad diffusionslåga. Simuleringarna avslöjade en dold låga som omgav det lila diset, strax utanför diffusionslågan. De tre lågorna kombineras till en trippel låga som bildar dess ljusa kant.
Sammansatt bild visar flödesstruktur. Skitar igenom mitten av beräkningsdomänen och värden som valts för flödesdiagnostik. (A) Effektiviseringar. (B) Tangentiell hastighet. (C) Axialhastighet. Konturerna av värmeavgivningshastigheten är överlagrade ovanpå för att indikera reaktionsområden. Skivor visas för en inzoomad region som är 6 cm bred. (D) Linjediagram över tangentiell hastighet taget under den blå virveln från den vita streckade linjen i (B), visas för hela bredden av beräkningsdomänen. Kredit:Chung et al., Sci. Adv. 2020.
Forskarna stod inför några utmaningar när de simulerade lågorna.
"Den blå virveln i experimenten i [laboratoriet] utvecklades och utvecklades av sig själv, " sa Zhang. Det fanns begränsad diagnostik från experimenten som inte gav oss tillräckligt med förutsättningar att använda för att börja beräkningarna. Vi började med en numerisk jakt."
De utvecklade nya algoritmer som kunde simulera låga Mach-talsflöden effektivt och implementerade algoritmerna i en beräkningsvätskedynamikkod som löser det instabila, komprimerbar, reaktiva Navier-Stokes flödesekvationer. Med den här koden, de undersökte effekterna av att kontrollera parametrar som bränsle- och luftintagsstorlekar och hastigheter. Så småningom, de kunde fånga den blå virveln i sina simuleringar.
"Dessa simuleringar av den blå virveln involverade flera skalor i tid och rum, ", sade Zhang. "Vi behövde också modellera flera fysik och den tunga kolvätekemin. Dessa kan vara mycket svåra och dyra att beräkna. Dessutom, vi ville behålla 3D-dynamiken i denna nya låga. Dessa 3D-aspekter ökade kostnaden för beräkningen."
Forskarna tilldelades superdatortilldelningar på XSEDE, finansierat av National Science Foundation. Genom XSEDE, de använde sig av superdatorn Stampede2 och datalagringssystemet Ranch vid Texas Advanced Computing Center.
Stampede2 superdator vid TACC tilldelas genom den NSF-finansierade Extreme Science and Engineering Discovery Environment. Kredit:TACC
Simuleringarna för den numeriska jakten och den sista blå virvelsimuleringen förbrukade 4 miljoner CPU-timmar fördelade över Deepthought2-systemet från University of Maryland; Thunder-systemet från Air Force Research Laboratory; och Stampede2, står för cirka 23K nodtimmar på sina Skylake-noder.
Förutom flamstrukturen, forskarna tittade också på flödesstrukturen hos den blå virveln som involverade ett vätskedynamikfenomen som kallas virvelnedbrytning. I grund och botten, den kaotiska och virvlande gula lågan kollapsar till ett "bubbelläge" av virvelnedbrytning och bildar den blå virveln.
"Det som förvånade mig mest var hur det utvecklades från eldvirveln, " Oran förklarade. "En eldvirvel är ett monster, en förödande sak. Så plötsligt förvandlas det till det här tysta, liten liten låga utan turbulens. I processen att forma den, du såg alla dessa vätskedynamiska lägen för virvelnedbrytning, vilket är ett vackert vätskefenomen som du kan se från virvlar som faller av en vinge på ett flygplan."
Forskarna hoppas att ytterligare förståelse av den blå virveln kan hjälpa forskare att utveckla sätt att bränna bränslen renare. "Det kan potentiellt vara ett nytt sätt att utvinna energi från traditionella fossila bränslen med minimal sot, minskad förorening, och miljöpåverkan, " sa Zhang.
Oran betonade att serendipity spelade en stor roll för att upptäcka fenomenet blå virvel.
Sa Oran:"Jag tror att det är viktigt att utforska, följ din nyfikenhet, och prova nya idéer. Om vi aldrig hade sett, till exempel, branden på sjön i Kentucky, när all bourbon rann ut på sjön där och blixten tände den, och det bildade eldvirvlar på sjön, vi skulle aldrig ha hittat den blå virveln. Varje gång du tittar under mattan, du hittar något nytt. En ny insekt, en ny låga."
