Bliksem sloeg in op een bourbon-magazijn, een cache van 800 in brand steken, 000 gallons sterke drank op het platteland van Bardstown in Kentucky in 2003. Een deel ervan stroomde in een nabijgelegen kreek, een enorme vuurtornado uitzetten, of 'bourbonado', ' zoals lokaal gemeld.

Luchtvideo ervan inspireerde wetenschappers om vuurwervelingen te onderzoeken, tornado's van vuur, als iets veelbelovends voor de sanering van olievlekken, omdat de koolwaterstoffen met relatief weinig roet verbrandden.

Hun onderzoek naar vuurkolken in het laboratorium leidde ertoe dat ze iets vonden dat hen verbaasde. De chaotische en gevaarlijke vuurwerveling veranderde in een tamme en schone brandende vlam die ze een 'blauwe werveling' noemen.

Een van zijn ontdekkers zit nu in een wetenschappelijk team dat supercomputers gebruikt die zijn toegewezen door de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) om de structuur van de blauwe werveling te onthullen, een nieuw type vlam die uit vier afzonderlijke vlammen bestaat. De wetenschappers hopen dat blauwe wervelingen ooit kunnen worden gebruikt om brandstoffen schoner te verbranden.

"De belangrijkste bevinding van deze nieuwe computationele studie is dat we nu de hoofdstructuur van de blauwe werveling kennen, " zei Elaine Oran, professor en O'Donnell Foundation Chair VI, Afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Texas A&M-universiteit. Oran is een mede-ontdekker van de blauwe werveling en een co-auteur van een studie over de structuur ervan gepubliceerd in PNAS , Augustus 2020. "We weten dat het een combinatie is van vele soorten vlammen die samenkomen en zichzelf vormen tot waarschijnlijk de meest ideale configuratie om te branden, die we eerder hadden gezien."

Een blauwe werveling is verwant aan een draaiende blauwe vlam die eruitziet als het topje van een kinderspeelgoed. Oran zegt dat de bovenkant dezelfde vorm heeft als de sorteerhoed van Harry Potter. Het grootste deel van zijn verbranding vindt plaats langs een zeer helderblauwe rand die ronddraait.

De onderzoekers gebruikten experimentele gegevens uit het onderzoek uit 2016 waarin de blauwe werveling voor het eerst werd ontdekt. De experimentele opstelling bestond uit twee halve cilinders en een cilindrische roestvrijstalen pan vol water. Een vloeibare brandstof, n-heptaan, werd op het oppervlak van stilstaand water in het midden van de pan gegoten en vervolgens aangestoken. Boven de pan waren twee kwarts-halfcilinders opgehangen. Door de halve cilinders te verschuiven, werden twee verticale spleten gecreëerd waardoor lucht tangentieel naar het vlamgebied kon worden gezogen, een veelgebruikt om vuurwervelingen te maken voor laboratoriumonderzoek.

Eerst ontstond er een chaotische plasbrand. Koude lucht die in de kamer werd aangezogen, creëerde een sterke verticale stroom en creëerde vervolgens een lange en intense vuurwerveling. Vervolgens, onverwacht, het stortte in in de kalme blauwe wervelvlamstructuur.

"We hebben de structuur van deze nieuwe vlam bestudeerd door middel van de numerieke simulatie, en we ontdekten het soort verbranding, en waar ze voorkomen, " zei co-auteur Xiao Zhang, postdoctoraal onderzoeker, Afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Texas A&M-universiteit, die voor Oran werkt.

Supercomputersimulaties hielpen de structuur van de blauwe werveling te ontrafelen, die blijkt te zijn gemaakt van drie soorten vlammen. Aan de onderkant is een rijke voorgemengde vlam, bovenaan bekroond met een paarsachtige hoedvormige diffusievlam. De simulaties onthulden een verborgen vlam rond de paarse waas, net buiten de diffusievlam. De drie vlammen vormen samen een drievoudige vlam die de heldere rand vormt.

De wetenschappers stonden voor een paar uitdagingen bij het simuleren van de vlammen.

"De blauwe werveling in de [laboratorium] experimenten evolueerde en ontwikkelde zich vanzelf, "Zei Zhang. Er waren beperkte diagnostiek van de experimenten die ons niet genoeg voorwaarden gaven om te gebruiken om de berekeningen te starten. We begonnen met een numerieke jacht."

Ze ontwikkelden nieuwe algoritmen die stromen met een laag Mach-getal efficiënt konden simuleren en implementeerden de algoritmen in een computationele vloeistofdynamica-code die de onstabiele, samendrukbaar, reactieve Navier-Stokes stromingsvergelijkingen. Met behulp van deze code, ze onderzochten de effecten van het regelen van parameters zoals brandstof- en luchtinlaatmaten en snelheden. Eventueel, ze waren in staat om de blauwe werveling vast te leggen in hun simulaties.

"Deze simulaties van de blauwe werveling hadden betrekking op meerdere schalen in tijd en ruimte, " Zei Zhang. "We moesten ook meerdere fysica en de chemie van zware koolwaterstoffen modelleren. Deze kunnen erg moeilijk en duur zijn om te berekenen. Daarbovenop, we wilden de 3D-dynamiek van deze nieuwe vlam behouden. Deze 3D-aspecten zorgden voor meer kosten voor de berekening."

De wetenschappers kregen supercomputertoewijzingen op XSEDE, gefinancierd door de National Science Foundation. Via XSEDE, ze maakten gebruik van de Stampede2-supercomputer en het Ranch-gegevensopslagsysteem in het Texas Advanced Computing Center.

De simulaties voor de numerieke jacht en de uiteindelijke blue whirl-simulatie verbruikten 4 miljoen CPU-uren verdeeld over het Deepthought2-systeem van de Universiteit van Maryland; het Thunder-systeem van het Air Force Research Laboratory; en Stampede2, goed voor ongeveer 23K node-uren op zijn Skylake-knooppunten.

Naast de vlamstructuur, de wetenschappers keken ook naar de stromingsstructuur van de blauwe werveling die gepaard ging met een vloeistofdynamisch fenomeen dat vortex-afbraak wordt genoemd. In principe, de chaotische en wervelende gele vlam stort in tot een 'bubbelmodus' van vortexafbraak en vormt de blauwe werveling.

"Wat me het meest verbaasde, was hoe het evolueerde uit de vuurwerveling, Oran legde uit. Een vuurwerveling is een monster, een verwoestend iets. Dan wordt het ineens zo stil, klein vlammetje zonder turbulentie. Tijdens het vormen ervan, je zag al deze vloeistof dynamische modi van vortex afbraak, dat is een prachtig vloeiend fenomeen dat je zou kunnen zien aan wervels die van een vleugel van een vliegtuig afschieten."

De onderzoekers hopen dat een beter begrip van de blauwe werveling wetenschappers kan helpen manieren te ontwikkelen om brandstoffen schoner te verbranden. "Het kan mogelijk een nieuwe manier zijn om met zo min mogelijk roet energie te winnen uit traditionele fossiele brandstoffen. verminderde vervuiling, en milieu-impact, ' zei Zhang.

Oran benadrukte dat serendipiteit een grote rol speelde bij het ontdekken van het fenomeen blauwe werveling.

Zei Oran:"Ik denk dat het belangrijk is om te onderzoeken, volg je nieuwsgierigheid, en probeer nieuwe ideeën uit. Als we het nooit hadden gezien, bijvoorbeeld, het vuur op het meer in Kentucky, toen alle bourbon daar op het meer stroomde en de bliksem het aanstak, en het vormde vuurwervelingen op het meer, we zouden nooit de blauwe werveling hebben gevonden. Elke keer als je onder het tapijt kijkt, je vindt iets nieuws. Een nieuw insect, een nieuwe vlam."