Un fulmine ha colpito un magazzino di bourbon, dando fuoco a una cache di 800, 000 galloni di liquori nella campagna di Bardstown, nel Kentucky, nel 2003. Alcuni si sono riversati in un torrente vicino, generando un enorme tornado di fuoco, o 'bourbonado, ' come riportato localmente.

Il video aereo ha ispirato gli scienziati a indagare sui vortici di fuoco, tornado di fuoco, come qualcosa di promettente per la bonifica delle fuoriuscite di petrolio perché gli idrocarburi bruciavano con relativamente poca fuliggine.

Le loro indagini sul vortice di fuoco in laboratorio li hanno portati a trovare qualcosa che li ha stupiti. Il vortice di fuoco caotico e pericoloso si è trasformato in una fiamma ardente e pulita che chiamano "vortice blu".

Uno dei suoi scopritori è ora in un team scientifico che utilizza i supercomputer assegnati dall'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) per rivelare la struttura del vortice blu, un nuovo tipo di fiamma che consiste di quattro fiamme separate. Gli scienziati sperano che i vortici blu possano un giorno essere usati per bruciare combustibili in modo più pulito.

"La scoperta principale di questo nuovo studio computazionale è che ora conosciamo la struttura principale del vortice blu, " disse Elaine Oran, professore e presidente della Fondazione O'Donnell VI, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Università del Texas A&M. Oran è co-scopritore del vortice blu e coautore di uno studio sulla sua struttura pubblicato su PNAS , Agosto 2020. "Sappiamo che è una combinazione di molti tipi di fiamme che si uniscono e si formano nella configurazione probabilmente più ideale per bruciare, che avevamo già visto".

Un vortice blu è simile a una fiamma blu rotante che assomiglia a un giocattolo per bambini. Oran dice che la parte superiore ha la stessa forma del cappello parlante di Harry Potter. La maggior parte della sua combustione avviene lungo un bordo blu molto luminoso che ruota.

I ricercatori hanno utilizzato i dati sperimentali dello studio del 2016 che ha scoperto per la prima volta il vortice blu. L'apparato sperimentale consisteva in due semicilindri e una vaschetta cilindrica in acciaio inossidabile piena d'acqua. Un combustibile liquido, n-eptano, si versava sulla superficie dell'acqua ferma al centro della pentola e poi si accendeva. Sul piatto erano sospesi due semicilindri di quarzo. Lo sfalsamento dei semicilindri creava due fessure verticali che consentivano l'aspirazione dell'aria tangenzialmente alla regione della fiamma, un comunemente usato per creare vortici di fuoco per lo studio di laboratorio.

All'inizio si formò un caotico incendio di una pozza. L'aria fredda aspirata nella camera ha creato un forte flusso verticale, quindi ha creato un vortice di fuoco alto e intenso. Quindi, inaspettatamente, è crollato nella calma struttura di fiamma a vortice blu.

"Abbiamo studiato la struttura di questa nuova fiamma attraverso la simulazione numerica, e abbiamo scoperto il tipo di combustione, e dove si verificano, ", ha affermato il coautore dello studio Xiao Zhang, ricercatore post-dottorato, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Università del Texas A&M, che lavora per Orano.

Le simulazioni al supercomputer hanno aiutato a scoprire la struttura del vortice blu, che risulta essere costituito da tre tipi di fiamme. In fondo è una ricca fiamma premiscelata, coronato in alto da una fiamma di diffusione a forma di cappello violaceo. Le simulazioni hanno rivelato una fiamma nascosta che circonda la foschia viola, appena fuori dalla fiamma di diffusione. Le tre fiamme si combinano in una tripla fiamma che forma il suo bordo luminoso.

Gli scienziati hanno dovuto affrontare alcune sfide nella simulazione delle fiamme.

"Il vortice blu negli esperimenti [di laboratorio] si è evoluto e sviluppato da solo, "Ha detto Zhang. C'erano una diagnostica limitata dagli esperimenti che non ci dava abbastanza condizioni da usare per iniziare i calcoli. Abbiamo iniziato con una caccia numerica".

Hanno sviluppato nuovi algoritmi in grado di simulare in modo efficiente flussi numerici a basso numero di Mach e hanno implementato gli algoritmi in un codice di fluidodinamica computazionale che risolve l'instabilità, comprimibile, equazioni di flusso reattive di Navier-Stokes. Usando questo codice, hanno esplorato gli effetti del controllo di parametri come le dimensioni e le velocità delle prese d'aria e del carburante. Infine, sono stati in grado di catturare il vortice blu nelle loro simulazioni.

"Queste simulazioni del vortice blu hanno coinvolto più scale nel tempo e nello spazio, " Zhang ha detto. "Avevamo anche bisogno di modellare la fisica multipla e la chimica degli idrocarburi pesanti. Questi possono essere molto difficili e costosi da calcolare. Oltre a ciò, volevamo mantenere la dinamica 3-D di questa nuova fiamma. Questi aspetti 3D hanno aggiunto più costi al calcolo".

Gli scienziati hanno ricevuto assegnazioni di supercomputer su XSEDE, finanziato dalla National Science Foundation. Attraverso XSEDE, hanno fatto uso del supercomputer Stampede2 e del sistema di archiviazione dati Ranch presso il Texas Advanced Computing Center.

Le simulazioni per la caccia numerica e la simulazione finale del vortice blu hanno consumato 4 milioni di ore CPU distribuite sul sistema Deepthought2 dell'Università del Maryland; il sistema Thunder dell'Air Force Research Laboratory; e Stampede2, contando circa 23K ore nodo sui suoi nodi Skylake.

Oltre alla struttura a fiamma, gli scienziati hanno anche esaminato la struttura del flusso del vortice blu che ha coinvolto un fenomeno di fluidodinamica chiamato rottura del vortice. Fondamentalmente, la fiamma gialla caotica e vorticosa collassa in una "modalità bolla" di rottura del vortice e forma il vortice blu.

"Ciò che mi ha sorpreso di più è stato come si è evoluto dal vortice di fuoco, " Spiegò Oran. "Un vortice di fuoco è un mostro, una cosa devastante. Poi tutto ad un tratto si trasforma in questo silenzio, piccola fiamma senza turbolenza. In fase di formazione, hai visto tutte queste modalità fluidodinamiche di rottura del vortice, che è un bellissimo fenomeno fluido che potresti vedere dai vortici che si liberano dall'ala di un aeroplano."

I ricercatori sperano che un'ulteriore comprensione del vortice blu possa aiutare gli scienziati a sviluppare modi per bruciare i combustibili in modo più pulito. "Potrebbe essere un nuovo modo per estrarre energia dai combustibili fossili tradizionali con il minimo di fuliggine, ridotto inquinamento, e impatto ambientale, " disse Zhang.

Oran ha sottolineato che la serendipità ha giocato un ruolo importante nella scoperta del fenomeno del vortice blu.

Disse Oran:"Penso che sia importante esplorare, segui la tua curiosità, e provare nuove idee. Se non avessimo mai visto, Per esempio, il fuoco sul lago in Kentucky, quando tutto il bourbon si è riversato sul lago lì e un fulmine lo ha acceso, e formò vortici di fuoco sul lago, non avremmo mai trovato il vortice blu. Ogni volta che guardi sotto il tappeto, trovi qualcosa di nuovo. Un nuovo insetto, una nuova fiamma".