Asombrosa estructura de llamas de remolino azul revelada con supercomputadoras

Ilustración de llama azul

La supercomputadora Stampede2 del Texas Advanced Computing Center simula la estructura 3D de la ruptura del vórtice con la combustión.

Un rayo cayó sobre un almacén de bourbon y prendió fuego a un alijo de 800.000 galones de licor en el campo de Bardstown de Kentucky en 2003. Parte de él se derramó en un arroyo cercano, generando 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 el alcohol se quemó con relativamente poco hollín.

Sus investigaciones sobre el torbellino de fuego en el laboratorio los llevaron a encontrar algo que los asombró. El caótico y peligroso remolino de fuego se transformó en una llama ardiente limpia y dócil que ellos llaman un «remolino azul».

Estructura de llama de remolino azul

Los remolinos azules son un fenómeno de llamas en remolino 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

Uno de sus descubridores está ahora en un equipo científico que utiliza supercomputadoras asignadas por el 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, profesora y presidenta VI de la Fundación O’Donnell, Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la 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 se forman en probablemente la más configuración ideal para quemar, que habíamos visto antes «.

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.

Llama remolino azul

El remolino azul observado en el experimento. (A) Remolino azul estable. (B) Remolino azul ligeramente inestable con hollín en el medio, lo que sugiere un modo de burbuja de ruptura del vórtice. Crédito: H. Xiao, Universidad de Ciencia y Tecnología de China.

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 bandeja cilíndrica de acero inoxidable llena de agua. Se vertió un combustible líquido, n-heptano, sobre la superficie del agua sin gas en el centro de la olla y luego se encendió. Se suspendieron dos semicilindros de cuarzo sobre la bandeja. Al compensar los semicilindros se crearon dos rendijas verticales que permitieron que el aire se extrajera tangencialmente a la región de la llama, un método comúnmente utilizado para crear remolinos de fuego para estudios de laboratorio.

Al principio se formó un caótico incendio en una piscina. El aire frío que ingresó a 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 la llama del remolino azul.

«Estudiamos la estructura de esta nueva llama a través de la simulación numérica y descubrimos el tipo de combustión y dónde ocurren», dijo el coautor del estudio Xiao Zhang, investigador postdoctoral, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Texas A&M. , que trabaja para Oran.

Estructura de flujo de remolino azul

La imagen compuesta muestra la estructura del flujo. Rebanadas a través del centro del dominio computacional y valores seleccionados para el diagnóstico de flujo. (A) Racionalizaciones. (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) Gráfico lineal de la velocidad tangencial tomado debajo del remolino azul de la línea punteada blanca en (B), que se muestra para todo el ancho del dominio computacional. Crédito: Chung et al., Sci. Adv. 2020.

Las simulaciones de supercomputadoras ayudaron a desentrañar la estructura del remolino azul, que resulta estar hecha de tres tipos de llamas. En la parte inferior hay una rica llama premezclada, coronada 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.

Los científicos enfrentaron algunos desafíos para simular las llamas.

«El remolino azul en el [laboratory] los experimentos evolucionaron y se desarrollaron por sí mismos ”, dijo Zhang. Hubo diagnósticos limitados de los experimentos que no nos dieron suficientes condiciones para usarlos para comenzar los cálculos. Empezamos con una búsqueda numérica «.

Desarrollaron nuevos algoritmos que podían simular flujos de bajo número de Mach de manera eficiente e implementaron los algoritmos en un código de dinámica de fluidos computacional que resuelve las ecuaciones de flujo de Navier-Stokes reactivas, compresibles e inestables. 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 3D de esta nueva llama. Estos aspectos 3D agregaron más costos al cálculo «.

Supercomputadora Stampede2

Supercomputadora Stampede2 en TACC asignada a través del Extreme Science and Engineering Discovery Environment financiado por la NSF. Crédito: TACC

Los científicos recibieron asignaciones de supercomputadoras en XSEDE, financiadas por la National Science Foundation. A través de XSEDE, utilizaron la supercomputadora Stampede2 y el sistema de almacenamiento de datos Ranch en el Texas Advanced Computing Center.

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, que representan aproximadamente 23.000 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 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», explicó Oran. “Un remolino de fuego es un monstruo, algo devastador. Luego, de repente, se convierte en esta pequeña y silenciosa llama sin turbulencias. En el proceso de formación, viste todos estos modos dinámicos de fluidos de ruptura de vórtices, que es un hermoso fenómeno de fluidos que puedes 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, menor contaminación e impacto ambiental”, dijo Zhang.

Orán enfatizó que la serendipia jugó un papel importante en el descubrimiento del fenómeno del remolino azul.

Oran dijo: “Creo que es importante explorar, seguir 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 sobre 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 «.

Referencia: «La estructura del remolino azul revelada» por Joseph D. Chung, Xiao Zhang, Carolyn R. Kaplan y Elaine S. Oran, 12 de agosto de 2020, Avances científicos.
DOI: 10.1126 / sciadv.aba0827

El estudio fue publicado en la revista Science Advances el 12 de agosto de 2020. Los autores son Joseph D. Chung y Carolyn R. Kaplan, Universidad de Maryland; Xiao Zhang y Elaine S. Oran, Universidad Texas A&M. La financiación del estudio provino de la National Science Foundation (subvención CBET 1839510); la Oficina de Investigación del Ejército (subvención W911NF1710524); Fondos de Dotación de Minta Martin en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Maryland; la Cátedra presidida por el Instituto Glenn L. Martin y la Cátedra Distinguida A. James Clark en la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland, y la Cátedra Distinguida TEES de la Universidad Texas A&M por su apoyo a este trabajo. La investigación también fue patrocinada, en parte, por el Laboratorio de Investigación del Ejército y se llevó a cabo bajo el Acuerdo de Cooperación Número W911NF-19-2-0307