Blå hvirvelflammestruktur afsløret med supercomputere

Lynet ramte et bourbonlager, sætter ild til en cache på 800, 000 liter spiritus i Bardstown -landskabet i Kentucky i 2003. Noget af det spildte ud i en nærliggende å, der affødte en massiv brandtornado, eller 'bourbonado, 'som rapporteret lokalt.

Luftfoto af det inspirerede forskere til at undersøge ildvirvler, tornados af ild, som noget lovende til afhjælpning af olieudslip, fordi kulbrinterne brændte med relativt lidt sod.

Deres brandvirvelundersøgelser i laboratoriet fik dem til at finde noget, der undrede dem. Den kaotiske og farlige ildvirvel forvandlet til en tam og ren brændende flamme, de kalder en 'blå hvirvel'.

En af dens opdagere er nu på et videnskabsteam ved hjælp af supercomputere tildelt af Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) til at afsløre strukturen af ​​den blå hvirvel, en ny type flamme, der består af fire separate flammer. Forskerne håber, at blå hvirvler en dag kan bruges til at forbrænde brændstoffer mere rent.

"Hovedresultatet af denne nye beregningsundersøgelse er, at vi nu kender hovedstrukturen i den blå hvirvel, "sagde Elaine Oran, professor og O'Donnell Foundation Chair VI, Institut for Aerospace Engineering, Texas A&M University. Oran er medopdager af den blå hvirvel og medforfatter af et studie om dets struktur, der blev offentliggjort i PNAS , August 2020. "Vi ved, at det er en kombination af mange typer flammer, der kommer sammen og udgør sig sandsynligvis til den mest ideelle konfiguration til brænding, som vi havde set før. "

En blå hvirvel ligner en snurrende blå flamme, der ligner et barns legetøjstop. Oran siger, at toppen af ​​den har samme form som sorteringshatten fra Harry Potter. Det meste af dets brænding er langs en meget lys blå kant, der snurrer.

Forskerne brugte eksperimentelle data fra 2016 -undersøgelsen, der først opdagede den blå hvirvel. Det eksperimentelle setup bestod af to halvcylindre og en cylindrisk rustfri stålpande fuld af vand. Et flydende brændstof, n-heptan, blev hældt på overfladen af ​​stille vand i midten af ​​gryden og derefter antændt. To halve cylindre af kvarts blev hængt op over gryden. Ved at forskyde halvcylindrene skabte der to lodrette slidser, der tillod luft at trækkes tangentielt ind til flamregionen, en almindeligt anvendt til at skabe ildvirvler til laboratorieundersøgelser.

En kaotisk poolbrand dannede sig først. Kold luft trukket ind i kammeret skabte en stærk lodret strømning derefter skabte en høj og intens ildvirvel. Derefter, uventet, det faldt sammen i den rolige blå hvirvelflammestruktur.

"Vi studerede strukturen af ​​denne nye flamme gennem den numeriske simulering, og vi fandt ud af typen af ​​brænding, og hvor de forekommer, "sagde medforfatter til undersøgelsen Xiao Zhang, postdoktoral forsker, Institut for Aerospace Engineering, Texas A&M University, der arbejder for Oran.

Supercomputersimuleringer hjalp med at drille den blå hvirvels struktur ud, som viser sig at være lavet af tre typer flammer. I bunden er en rig forblandet flamme, kronet ovenpå med en lilla hatformet diffusionsflamme. Simuleringerne afslørede en skjult flamme omkring den lilla dis, lige uden for diffusionsflammen. De tre flammer kombineres til en tredobbelt flamme, der danner dens lyse kant.

Forskerne stod over for et par udfordringer med at simulere flammerne.

"Den blå hvirvel i [laboratorie] eksperimenterne udviklede sig og udviklede sig selv, "Sagde Zhang. Der var begrænset diagnostik fra forsøgene, der ikke gav os nok betingelser til at bruge til at starte beregningerne. Vi startede med en numerisk jagt."

De udviklede nye algoritmer, der effektivt kunne simulere lav-Mach-talstrømme og implementerede algoritmerne i en beregningsfluiddynamikkode, der løser de ustabile, komprimerbar, reaktive flow-ligninger fra Navier-Stokes. Ved hjælp af denne kode, de undersøgte virkningerne af at kontrollere parametre som brændstof og luftindtagsstørrelser og -hastigheder. Til sidst, de var i stand til at fange den blå hvirvel i deres simuleringer.

"Disse simuleringer af den blå hvirvel involverede flere skalaer i tid og rum, "Zhang sagde." Vi havde også brug for at modellere flere fysikker og tung kulbrintekemi. Disse kan være meget vanskelige og dyre at beregne. Oven i købet, vi ønskede at beholde 3D-dynamikken i denne nye flamme. Disse 3D-aspekter gav ekstra omkostninger til beregningen. "

Forskerne blev tildelt supercomputertildelinger på XSEDE, finansieret af National Science Foundation. Gennem XSEDE, de brugte Stampede2 -supercomputeren og Ranch -datalagringssystemet i Texas Advanced Computing Center.

Simuleringerne til den numeriske jagt og den sidste blå hvirvel -simulering brugte 4 millioner CPU -timer fordelt over Deepthought2 -systemet fra University of Maryland; Thunder systemet fra Air Force Research Laboratory; og Stampede2, tegner sig for omkring 23K nodetimer på sine Skylake -noder.

Udover flammestrukturen, forskerne kiggede også på strømningsstrukturen af ​​den blå hvirvel, der involverede et fænomen med væskedynamik kaldet hvirvelnedbrydning. I bund og grund, den kaotiske og hvirvlende gule flamme kollapser til en 'bobletilstand' af hvirvelnedbrydning og danner den blå hvirvel.

"Det, der overraskede mig mest, var, hvordan det udviklede sig fra ildvirvelen, "Oran forklarede." En ildvirvel er et monster, en ødelæggende ting. Så bliver det pludselig til denne stille, lille flamme uden turbulens. I processen med at danne det, du så alle disse flydende dynamiske former for hvirvelnedbrydning, hvilket er et smukt flydende fænomen, som du kan se fra hvirvler, der fælder ud af en vinge på et fly. "

Forskerne håber, at yderligere forståelse af den blå hvirvel kan hjælpe forskere med at udvikle måder at forbrænde brændstoffer mere rent på. "Det kan potentielt være en ny måde at udvinde energi fra traditionelle fossile brændstoffer med minimal sod, reduceret forurening, og miljøpåvirkning, "Sagde Zhang.

Oran understregede, at serendipitet spillede en stor rolle i opdagelsen af ​​fænomenet blå hvirvel.

Oran sagde:"Jeg synes, det er vigtigt at udforske, følg din nysgerrighed, og prøv nye ideer. Hvis vi aldrig havde set, for eksempel, ilden på søen i Kentucky, da hele bourbon spildte på søen der og lyn tændte det, og det dannede ildvirvler på søen, vi ville aldrig have fundet den blå hvirvel. Hver gang du kigger under tæppet, du finder noget nyt. Et nyt insekt, en ny flamme. "