Les tourbillons bleus sont un phénomène de flamme tourbillonnante qui évolue à partir d'un tourbillon de feu chaotique et brûle avec une combustion presque sans suie. Des simulations de superordinateur ont révélé la structure de la flamme et la structure de l'écoulement du tourbillon bleu. (A) Rendu volumique du taux de dégagement de chaleur à partir des simulations numériques. (B) Diagramme schématique qui résume un résultat final de la simulation de tourbillon bleu montrant la combinaison de trois types de flammes différents. (C) Tourbillon bleu observé. Crédit :H. Xiao, Université des sciences et technologies de Chine.
La foudre a frappé un entrepôt de bourbon, mettre le feu à une cache de 800, 000 gallons d'alcool dans la campagne de Bardstown du Kentucky en 2003. Une partie s'est déversée dans un ruisseau voisin, engendrant une énorme tornade de feu, ou 'bourbonado, ' comme signalé localement.
Une vidéo aérienne de celui-ci a inspiré les scientifiques à enquêter sur les tourbillons de feu, tornades de feu, comme quelque chose de prometteur pour l'assainissement des déversements de pétrole parce que les hydrocarbures brûlaient avec relativement peu de suie.
Leurs recherches sur le tourbillon de feu dans le laboratoire les ont amenés à trouver quelque chose qui les a étonnés. Le tourbillon de feu chaotique et dangereux s'est transformé en une flamme brûlante apprivoisée et propre qu'ils appellent un « tourbillon bleu ».
L'un de ses découvreurs fait maintenant partie d'une équipe scientifique utilisant des superordinateurs alloués par l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) pour révéler la structure du tourbillon bleu, un nouveau type de flamme qui se compose de quatre flammes distinctes. Les scientifiques espèrent que les tourbillons bleus pourront un jour être utilisés pour brûler les carburants plus proprement.
"La principale découverte de cette nouvelle étude informatique est que nous connaissons maintenant la structure principale du tourbillon bleu, " a déclaré Elaine Oran, professeur et chaire VI de la Fondation O'Donnell, Département de génie aérospatial, Université A&M du Texas. Oran est co-découvreur du tourbillon bleu et co-auteur d'une étude sur sa structure publiée dans PNAS , Août 2020. "Nous savons que c'est une combinaison de plusieurs types de flammes qui se réunissent et se forment probablement dans la configuration la plus idéale pour brûler, que nous avions vu auparavant."
Transition du feu en nappe aux tourbillons jaunes et bleus avec une couche initiale fixe de combustible (heptane). Ce film représentatif montre la transition d'un feu de nappe à un tourbillon bleu et l'évolution du tourbillon bleu lors de la combustion d'hydrocarbures liquides au-dessus de l'eau. Crédit :Xiao et al., PNAS . 2016. 113 : 9457-9462 DOI :10.1073/pnas.1605860113
Un tourbillon bleu s'apparente à une flamme bleue en rotation qui ressemble à un haut de jouet d'enfant. Oran dit que le haut a la même forme que le chapeau de tri de Harry Potter. La majeure partie de sa combustion se fait le long d'un bord bleu très brillant qui tourne.
Les chercheurs ont utilisé les données expérimentales de l'étude de 2016 qui a découvert pour la première fois le tourbillon bleu. Le montage expérimental se composait de deux demi-cylindres et d'un bac cylindrique en acier inoxydable rempli d'eau. Un carburant liquide, n-heptane, a été versé à la surface de l'eau plate au centre de la casserole puis a été enflammé. Deux demi-cylindres en quartz étaient suspendus au-dessus du plateau. Le décalage des demi-cylindres a créé deux fentes verticales qui ont permis à l'air d'être aspiré tangentiellement à la région de la flamme, un couramment utilisé pour créer des tourbillons de feu pour l'étude en laboratoire.
Un feu de nappe chaotique s'est d'abord formé. L'air froid aspiré dans la chambre a créé un fort flux vertical, puis a créé un tourbillon de feu grand et intense. Puis, de façon inattendue, il s'est effondré dans la structure calme et bleue des flammes tourbillonnantes.
« Nous avons étudié la structure de cette nouvelle flamme grâce à la simulation numérique, et nous avons découvert le type de brûlure, et où ils se produisent, " a déclaré Xiao Zhang, co-auteur de l'étude, Chercheur post-doctoral, Département de génie aérospatial, Université A&M du Texas, qui travaille pour Oran.
Les simulations de superordinateur ont aidé à démêler la structure du tourbillon bleu, qui s'avère être composé de trois types de flammes. Au fond se trouve une riche flamme pré-mélangée, surmontée d'une flamme de diffusion en forme de chapeau violacé. Les simulations ont révélé une flamme cachée entourant la brume violette, juste à l'extérieur de la flamme de diffusion. Les trois flammes se combinent en une triple flamme qui forme son bord brillant.
L'image composite montre la structure du flux. Tranches à travers le centre du domaine de calcul et les valeurs sélectionnées pour les diagnostics de flux. (A) Rationalisation. (B) Vitesse tangentielle. (C) Vitesse axiale. Les contours du taux de dégagement de chaleur sont superposés sur le dessus pour indiquer les régions de réaction. Les tranches sont affichées pour une région agrandie de 6 cm de large. (D) Tracé linéaire de la vitesse tangentielle prise sous le tourbillon bleu à partir de la ligne pointillée blanche en (B), indiqué pour toute la largeur du domaine de calcul. Crédit :Chung et al., Sci. Av. 2020.
Les scientifiques ont fait face à quelques défis pour simuler les flammes.
"Le tourbillon bleu dans les expériences [de laboratoire] a évolué et s'est développé par lui-même, ", a déclaré Zhang. Il y avait des diagnostics limités des expériences qui ne nous ont pas donné suffisamment de conditions à utiliser pour commencer les calculs. Nous avons commencé par une chasse numérique. "
Ils ont développé de nouveaux algorithmes capables de simuler efficacement des écoulements à faible nombre de Mach et ont implémenté les algorithmes dans un code de dynamique des fluides computationnel qui résout les problèmes instables, compressible, équations d'écoulement réactives de Navier-Stokes. En utilisant ce code, ils ont exploré les effets des paramètres de contrôle tels que les tailles et les vitesses d'admission de carburant et d'air. Finalement, ils ont pu capturer le tourbillon bleu dans leurs simulations.
"Ces simulations du tourbillon bleu impliquaient plusieurs échelles dans le temps et l'espace, ", a déclaré Zhang. "Nous avions également besoin de modéliser la physique multiple et la chimie des hydrocarbures lourds. Ceux-ci peuvent être très difficiles et coûteux à calculer. En plus de ça, nous voulions garder la dynamique 3-D de cette nouvelle flamme. Ces aspects 3-D ont ajouté plus de coût au calcul."
Les scientifiques ont reçu des allocations de supercalculateurs sur XSEDE, financé par la National Science Foundation. Grâce à XSEDE, ils ont utilisé le supercalculateur Stampede2 et le système de stockage de données Ranch au Texas Advanced Computing Center.
Supercalculateur Stampede2 du TACC alloué par le biais de l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment, financé par la NSF. Crédit :TACC
Les simulations pour la chasse numérique et la simulation finale du tourbillon bleu ont consommé 4 millions d'heures CPU réparties sur le système Deepthought2 de l'Université du Maryland; le système Thunder du Air Force Research Laboratory; et Stampede2, représentant environ 23 000 heures de nœud sur ses nœuds Skylake.
Outre la structure de la flamme, les scientifiques ont également examiné la structure d'écoulement du tourbillon bleu qui impliquait un phénomène de dynamique des fluides appelé rupture de vortex. Essentiellement, la flamme jaune chaotique et tourbillonnante s'effondre en un « mode bulle » de décomposition de vortex et forme le tourbillon bleu.
"Ce qui m'a le plus surpris, c'est comment il a évolué à partir du tourbillon de feu, " expliqua Oran. " Un tourbillon de feu est un monstre, une chose dévastatrice. Puis tout d'un coup ça devient ce calme, toute petite flamme sans turbulence. En train de le former, vous avez vu tous ces modes dynamiques fluides de décomposition de vortex, qui est un beau phénomène fluide que vous pourriez voir à partir de tourbillons se détachant d'une aile d'avion."
Les chercheurs espèrent qu'une meilleure compréhension du tourbillon bleu pourrait aider les scientifiques à développer des moyens de brûler les carburants plus proprement. "Cela peut potentiellement être une nouvelle façon d'extraire de l'énergie à partir de combustibles fossiles traditionnels avec un minimum de suie, pollution réduite, et l'impact environnemental, " dit Zhang.
Oran a souligné que le hasard a joué un grand rôle dans la découverte du phénomène du tourbillon bleu.
Oran a dit :« Je pense qu'il est important d'explorer, suivez votre curiosité, et essayer de nouvelles idées. Si nous n'avions jamais vu, par exemple, le feu sur le lac du Kentucky, quand tout le bourbon s'est répandu sur le lac là-bas et que la foudre l'a enflammé, et il fit des tourbillons de feu sur le lac, nous n'aurions jamais trouvé le tourbillon bleu. Chaque fois que vous regardez sous le tapis, vous trouvez quelque chose de nouveau. Un nouvel insecte, une nouvelle flamme."
