Los remolinos azules son un fenómeno de llamas giratorias que evoluciona de un remolino de fuego caótico y arde con una combustión casi libre de hollín. Las simulaciones de supercomputadoras han revelado la estructura de la llama y la estructura del flujo del remolino azul. (A) Representación volumétrica de la tasa de liberación de calor de las simulaciones numéricas. (B) Diagrama esquemático que resume un resultado final de la simulación del remolino azul que muestra la combinación de tres tipos diferentes de llama. (C) Remolino azul observado. Crédito:H. Xiao, Universidad de Ciencia y Tecnología de China.
Un rayo golpeó un almacén de bourbon prendiendo fuego a un alijo de 800, 000 galones de licor en la campiña de Bardstown en Kentucky en 2003. Una parte se derramó en un arroyo cercano, engendrando un tornado de fuego masivo, o 'bourbonado, 'como se informó localmente.
El video aéreo inspiró a los científicos a investigar los remolinos de fuego, tornados de fuego, como algo prometedor para la remediación de derrames de petróleo porque los hidrocarburos se quemaron con relativamente poco hollín.
Sus investigaciones sobre el torbellino de fuego en el laboratorio los llevaron a encontrar algo que los asombró. El torbellino de fuego caótico y peligroso se transformó en una llama ardiente dócil y limpia que ellos llaman un 'torbellino azul'.
Uno de sus descubridores se encuentra ahora en un equipo científico que utiliza supercomputadoras asignadas por Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) para revelar la estructura del remolino azul. un nuevo tipo de llama que consta de cuatro llamas separadas. Los científicos esperan que algún día los remolinos azules puedan usarse para quemar combustibles de manera más limpia.
"El principal hallazgo de este nuevo estudio computacional es que ahora conocemos la estructura principal del remolino azul, "dijo Elaine Oran, profesor y catedrático VI de la Fundación O'Donnell, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Texas A &M. Orán es un co-descubridor del remolino azul y coautor de un estudio sobre su estructura publicado en PNAS , Agosto de 2020. "Sabemos que es una combinación de muchos tipos de llamas que se unen y forman probablemente la configuración más ideal para arder, que habíamos visto antes ".
Transición del fuego de la piscina a remolinos amarillos y azules con una capa de combustible inicial fija (heptano). Esta película representativa muestra la transición del fuego de una piscina a un remolino azul y la evolución del remolino azul durante la combustión de hidrocarburos líquidos sobre el agua. Crédito:Xiao et al., PNAS . 2016. 113:9457-9462 DOI:10.1073 / pnas.1605860113
Un remolino azul es similar a una llama azul giratoria que se parece a la peonza de un niño. Oran dice que la parte superior tiene la misma forma que el sombrero seleccionador de Harry Potter. La mayor parte de su combustión se produce a lo largo de un borde azul muy brillante que gira.
Los investigadores utilizaron datos experimentales del estudio de 2016 que descubrió por primera vez el remolino azul. La configuración experimental consistió en dos medios cilindros y una cacerola cilíndrica de acero inoxidable llena de agua. Un combustible líquido n-heptano, se vertió sobre la superficie de agua sin gas en el centro de la olla y luego se encendió. Se suspendieron dos semicilindros de cuarzo sobre la bandeja. La compensación de los semicilindros creó dos rendijas verticales que permitieron que el aire se extrajera tangencialmente a la región de la llama, comúnmente utilizado para crear remolinos de fuego para estudios de laboratorio.
Al principio se formó un caótico incendio en una piscina. El aire frío introducido en la cámara creó un fuerte flujo vertical y luego creó un remolino de fuego alto e intenso. Luego, inesperadamente, se derrumbó en la tranquila estructura de llamas de remolino azul.
"Estudiamos la estructura de esta nueva llama a través de la simulación numérica, y averiguamos el tipo de quema, y donde ocurren, "dijo el coautor del estudio Xiao Zhang, investigador postdoctoral, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Texas A &M, que trabaja para Orán.
Las simulaciones de supercomputadora ayudaron a desentrañar la estructura del remolino azul, que resulta estar hecho de tres tipos de llamas. En el fondo hay una rica llama premezclada, coronado en la parte superior con una llama de difusión en forma de sombrero violáceo. Las simulaciones revelaron una llama oculta que rodeaba la neblina púrpura, justo fuera de la llama de difusión. Las tres llamas se combinan en una llama triple que forma su borde brillante.
La imagen compuesta muestra la estructura del flujo. Corta a través del centro del dominio computacional y valores seleccionados para el diagnóstico de flujo. (A) Optimización. (B) Velocidad tangencial. (C) Velocidad axial. Los contornos de la velocidad de liberación de calor se superponen en la parte superior para indicar las regiones de reacción. Los cortes se muestran para una región ampliada de 6 cm de ancho. (D) Gráfica lineal de la velocidad tangencial tomada debajo del remolino azul de la línea punteada blanca en (B), se muestra para todo el ancho del dominio computacional. Crédito:Chung et al., Sci. Adv. 2020.
Los científicos enfrentaron algunos desafíos al simular las llamas.
"El remolino azul en los experimentos [de laboratorio] evolucionó y se desarrolló por sí mismo, "Dijo Zhang. Hubo diagnósticos limitados de los experimentos que no nos dieron las condiciones suficientes para comenzar con los cálculos. Comenzamos con una búsqueda numérica".
Desarrollaron nuevos algoritmos que podían simular flujos de números de Mach bajos de manera eficiente e implementaron los algoritmos en un código de dinámica de fluidos computacional que resuelve los problemas inestables. compresible, ecuaciones reactivas de flujo de Navier-Stokes. Usando este código, exploraron los efectos de controlar parámetros como el tamaño y la velocidad de las entradas de aire y combustible. Finalmente, pudieron capturar el remolino azul en sus simulaciones.
"Estas simulaciones del remolino azul involucraron múltiples escalas en el tiempo y el espacio, ", Dijo Zhang." También necesitábamos modelar la física múltiple y la química de los hidrocarburos pesados. Estos pueden ser muy difíciles y costosos de calcular. Además de eso, queríamos mantener la dinámica tridimensional de esta nueva llama. Estos aspectos tridimensionales agregaron más costos al cálculo ".
Los científicos recibieron asignaciones de supercomputadoras en XSEDE, financiado por la National Science Foundation. A través de XSEDE, utilizaron la supercomputadora Stampede2 y el sistema de almacenamiento de datos Ranch en el Centro de Computación Avanzada de Texas.
Supercomputadora Stampede2 en TACC asignada a través del Extreme Science and Engineering Discovery Environment financiado por la NSF. Crédito:TACC
Las simulaciones para la búsqueda numérica y la simulación final del remolino azul consumieron 4 millones de horas de CPU distribuidas en el sistema Deepthought2 de la Universidad de Maryland; el sistema Thunder del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea; y Stampede2, lo que representa alrededor de 23K horas de nodo en sus nodos Skylake.
Además de la estructura de la llama, los científicos también observaron la estructura de flujo del remolino azul que involucraba un fenómeno de dinámica de fluidos llamado ruptura de vórtice. Básicamente, la llama amarilla caótica y giratoria se colapsa en un "modo burbuja" de ruptura del vórtice y forma el remolino azul.
"Lo que más me sorprendió fue cómo evolucionó a partir del remolino de fuego, "Oran explicó." Un remolino de fuego es un monstruo, algo devastador. Entonces, de repente, se convierte en este silencio diminuta llama sin turbulencia. En el proceso de formarlo, viste todos estos modos dinámicos fluidos de descomposición de vórtices, que es un hermoso fenómeno fluido que se puede ver en los vórtices que se desprenden del ala de un avión ".
Los investigadores esperan que una mayor comprensión del remolino azul pueda ayudar a los científicos a desarrollar formas de quemar combustibles de manera más limpia. "Potencialmente, puede ser una nueva forma de extraer energía de los combustibles fósiles tradicionales con un mínimo de hollín, contaminación reducida, e impacto ambiental, "Dijo Zhang.
Orán enfatizó que la serendipia jugó un papel importante en el descubrimiento del fenómeno del remolino azul.
Orán dijo:"Creo que es importante explorar, sigue tu curiosidad, y probar nuevas ideas. Si nunca hubiéramos visto por ejemplo, el fuego en el lago en Kentucky, cuando todo el bourbon se derramó en el lago y un rayo lo encendió, y formó remolinos de fuego en el lago, nunca hubiéramos encontrado el remolino azul. Cada vez que miras debajo de la alfombra encuentras algo nuevo. Un nuevo insecto una nueva llama ".
