Redemoinhos azuis são um fenômeno de chama espiralada que evolui de um redemoinho de fogo caótico e queima com uma combustão quase sem fuligem. As simulações do supercomputador revelaram a estrutura da chama e a estrutura do fluxo do redemoinho azul. (A) Renderização de volume da taxa de liberação de calor das simulações numéricas. (B) Diagrama esquemático que resume um resultado final da simulação de redemoinho azul mostrando a combinação de três tipos diferentes de chama. (C) Redemoinho azul observado. Crédito:H. Xiao, Universidade de Ciência e Tecnologia da China.
Um raio atingiu um armazém de bourbon, atear fogo a um cache de 800, 000 galões de bebida alcoólica na zona rural de Bardstown, no Kentucky, em 2003. Parte dela derramou em um riacho próximo, gerando um enorme tornado de fogo, ou 'bourbonado, 'conforme relatado localmente.
O vídeo aéreo inspirou cientistas a investigar redemoinhos de fogo, tornados de fogo, como algo promissor para a remediação de derramamento de óleo porque os hidrocarbonetos queimavam com relativamente pouca fuligem.
Suas investigações de turbilhão de fogo no laboratório os levaram a encontrar algo que os surpreendeu. O caótico e perigoso redemoinho de fogo se transformou em uma chama de fogo mansa e limpa que eles chamam de 'redemoinho azul'.
Um de seus descobridores está agora em uma equipe de ciência usando supercomputadores alocados pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) para revelar a estrutura do redemoinho azul, um novo tipo de chama que consiste em quatro chamas separadas. Os cientistas esperam que redemoinhos azuis possam um dia ser usados para queimar combustíveis de forma mais limpa.
"A principal descoberta deste novo estudo computacional é que agora conhecemos a estrutura principal do redemoinho azul, "disse Elaine Oran, professor e presidente da Fundação O'Donnell VI, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Texas A&M University. Oran é co-descobridor do redemoinho azul e co-autor de um estudo sobre sua estrutura publicado em PNAS , Agosto de 2020. "Sabemos que é uma combinação de muitos tipos de chamas que se juntam e se formam provavelmente na configuração mais ideal para queimar, que tínhamos visto antes. "
Transição do fogo da piscina para redemoinhos amarelos e azuis com camada inicial fixa de combustível (heptano). Este filme representativo mostra a transição de um incêndio de piscina para um redemoinho azul e a evolução do redemoinho azul durante a queima de combustível de hidrocarboneto líquido sobre a água. Crédito:Xiao et al., PNAS . 2016. 113:9457-9462 DOI:10.1073 / pnas.1605860113
Um redemoinho azul é semelhante a uma chama azul giratória que se parece com o topo de um brinquedo de criança. Oran diz que a parte superior tem o mesmo formato do chapéu seletor de Harry Potter. A maior parte de sua queima ocorre ao longo de uma borda azul muito brilhante que gira.
Os pesquisadores usaram dados experimentais do estudo de 2016 que primeiro descobriu o redemoinho azul. A configuração experimental consistia em dois semicilindros e uma panela cilíndrica de aço inoxidável cheia de água. Um combustível líquido, n-heptano, foi derramado na superfície da água parada no centro da panela e depois foi aceso. Dois semicilindros de quartzo foram suspensos sobre a panela. O deslocamento dos semicilindros criou duas fendas verticais que permitiram que o ar fosse puxado tangencialmente à região da chama, um comumente usado para criar redemoinhos de fogo para estudo de laboratório.
A princípio, formou-se uma piscina caótica de incêndio. O ar frio puxado para dentro da câmara criou um forte fluxo vertical, em seguida, criou um turbilhão de fogo alto e intenso. Então, inesperadamente, ele desabou na calma estrutura de uma chama de redemoinho azul.
“Estudamos a estrutura desta nova chama através da simulação numérica, e descobrimos o tipo de queima, e onde eles ocorrem, "disse o co-autor do estudo Xiao Zhang, pesquisador pós-doutorado, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Texas A&M University, quem trabalha para Oran.
As simulações do supercomputador ajudaram a desvendar a estrutura do redemoinho azul, que acaba por ser feito de três tipos de chamas. No fundo está uma chama pré-misturada rica, coroado no topo por uma chama difusora arroxeada em forma de chapéu. As simulações revelaram uma chama oculta em torno da névoa roxa, apenas fora da chama de difusão. As três chamas se combinam em uma chama tripla que forma sua borda brilhante.
A imagem composta mostra a estrutura do fluxo. Fatias no centro do domínio computacional e valores selecionados para diagnósticos de fluxo. (A) Simplifica. (B) Velocidade tangencial. (C) Velocidade axial. Os contornos da taxa de liberação de calor são sobrepostos na parte superior para indicar as regiões de reação. Fatias são mostradas para uma região com zoom de 6 cm de largura. (D) Gráfico de linha de velocidade tangencial obtido abaixo do redemoinho azul a partir da linha tracejada branca em (B), mostrado para toda a largura do domínio computacional. Crédito:Chung et al., Sci. Adv. 2020.
Os cientistas enfrentaram alguns desafios para simular as chamas.
"O redemoinho azul nos experimentos [de laboratório] evoluiu e se desenvolveu por si só, "Disse Zhang. Os diagnósticos dos experimentos eram limitados e não nos davam condições suficientes para começar os cálculos. Começamos com uma caça numérica."
Eles desenvolveram novos algoritmos que podem simular fluxos de baixo número de Mach com eficiência e implementaram os algoritmos em um código de dinâmica de fluidos computacional que resolve os instáveis, compressível, equações reativas de fluxo de Navier-Stokes. Usando este código, eles exploraram os efeitos do controle de parâmetros como tamanhos e velocidades de entrada de combustível e ar. Eventualmente, eles foram capazes de capturar o redemoinho azul em suas simulações.
"Essas simulações do redemoinho azul envolveram múltiplas escalas no tempo e no espaço, "Zhang disse." Também precisávamos modelar a física múltipla e a química dos hidrocarbonetos pesados. Isso pode ser muito difícil e caro de calcular. Além disso, queríamos manter a dinâmica 3-D dessa nova chama. Esses aspectos 3-D adicionaram mais custo ao cálculo. "
Os cientistas receberam atribuições de supercomputador no XSEDE, financiado pela National Science Foundation. Por meio do XSEDE, eles usaram o supercomputador Stampede2 e o sistema de armazenamento de dados Ranch no Texas Advanced Computing Center.
Supercomputador Stampede2 no TACC alocado por meio do Extreme Science and Engineering Discovery Environment financiado pela NSF. Crédito:TACC
As simulações para a caça numérica e a simulação do redemoinho azul final consumiram 4 milhões de horas de CPU distribuídas no sistema Deepthought2 da Universidade de Maryland; o sistema Thunder do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea; e Stampede2, responsável por cerca de 23 mil horas de nó em seus nós Skylake.
Além da estrutura da chama, os cientistas também observaram a estrutura do fluxo do redemoinho azul que envolveu um fenômeno de dinâmica de fluidos chamado quebra de vórtice. Basicamente, a caótica e rodopiante chama amarela entra em colapso em um 'modo de bolha' de quebra do vórtice e forma o redemoinho azul.
"O que mais me surpreendeu foi como evoluiu a partir do redemoinho de fogo, "Oran explicou." Um redemoinho de fogo é um monstro, uma coisa devastadora. Então, de repente, tudo se transforma em silêncio, minúscula chama sem turbulência. No processo de formação, você viu todos esses modos dinâmicos de fluido de quebra de vórtice, que é um belo fenômeno fluido que você pode ver nos vórtices se desprendendo da asa de um avião. "
Os pesquisadores esperam que uma maior compreensão do redemoinho azul possa ajudar os cientistas a desenvolver maneiras de queimar combustíveis de forma mais limpa. "Pode ser uma nova maneira de extrair energia dos combustíveis fósseis tradicionais com o mínimo de fuligem, poluição reduzida, e impacto ambiental, "Disse Zhang.
Oran enfatizou que a serendipidade desempenhou um grande papel na descoberta do fenômeno do redemoinho azul.
Disse Oran:"Acho importante explorar, siga sua curiosidade, e experimente novas ideias. Se nunca tivéssemos visto, por exemplo, o incêndio no lago em Kentucky, quando todo o bourbon derramou no lago e um raio o acendeu, e formou redemoinhos de fogo no lago, nunca teríamos encontrado o redemoinho azul. Cada vez que você olha para debaixo do tapete, você encontra algo novo. Um novo inseto, uma nova chama. "
