超级计算机揭示了蓝色漩涡的火焰结构

雷电袭击了一个波旁威士忌仓库，2003年在肯塔基州的Bardstown乡村放火烧了80万加仑酒。其中一些泄漏到附近的小溪中，产生了巨大的龙卷风或“波旁纳多”，据当地报道。

它的航拍录像启发了科学家们研究火旋风，火龙卷风，有望对溢油进行补救，因为碳氢化合物燃烧时烟灰相对较少。

他们在实验室进行的火旋风调查导致他们发现了令他们惊讶的东西。混乱而危险的火旋风变成了驯服而干净的燃烧火焰，他们称之为“蓝色旋风”。

它的一个发现者现在在一个科学团队中，该团队使用由极限科学与工程发现环境(XSEDE)分配的超级计算机来揭示蓝色漩涡的结构，蓝色漩涡是一种由四个独立的火焰组成的新型火焰。科学家希望有一天可以使用蓝涡旋来更干净地燃烧燃料。

“这项新的计算研究的主要发现是，我们现在知道了蓝色涡旋的主要结构，”德克萨斯农工大学航空工程系O'Donnell基金会主席VI教授伊莱恩·奥兰(Elaine Oran)说。Oran是蓝色漩涡的共同发现者，并且是2020年8月发表在PNAS上的关于其结构的研究的合著者。“我们知道，这是多种类型火焰的结合，这些火焰聚在一起并形成了最大数量的火焰。我们以前见过的理想的燃烧配置。”

蓝色漩涡类似于旋转的蓝色火焰，看起来像是儿童的玩具陀螺。奥兰说，它的顶部与哈利·波特的分拣帽形状相同。其大部分燃烧是沿着非常明亮的蓝色边缘旋转的。

研究人员使用了2016年研究中的实验数据，该数据首次发现了蓝色漩涡。实验装置由两个半圆筒和一个装满水的圆柱形不锈钢锅组成。将液体燃料正庚烷倒入锅中央的静水表面，然后点燃。两个石英半圆筒悬挂在锅上。使半圆柱体偏移会产生两个垂直的缝隙，这些缝隙使空气切向与火焰区域相切，这通常用于产生用于实验室研究的火涡旋。

最初形成了混乱的水池火。吸入室中的冷空气产生了强烈的垂直气流，接着产生了高而强烈的火漩涡。然后，它出乎意料地坍塌成平静的蓝色漩涡火焰结构。

“我们通过数值模拟研究了这种新火焰的结构，我们发现了燃烧的类型以及发生的位置，”德克萨斯大学农工大学航空工程系博士后研究员，为Oran工作。

超级计算机模拟帮助弄清了蓝色漩涡的结构，该结构由三种火焰组成。底部是浓的预混合火焰，顶部是紫色的帽状扩散火焰。模拟结果显示，在扩散火焰的外面，有一个隐藏的火焰围绕着紫色的雾霾。这三个火焰组合成一个三重火焰，形成了明亮的边缘。

科学家在模拟火焰时面临一些挑战。

张说：“ [实验室]实验中的蓝色漩涡是自己演化和发展的。” 实验提供的诊断信息有限，无法为我们提供足够的条件来开始计算。我们从数字搜寻开始。”

他们开发了可以有效地模拟低马赫数流动的新算法，并将这些算法实施到计算流体动力学代码中，从而解决了不稳定的，可压缩的，反应性的Navier-Stokes流动方程。他们使用此代码探索了控制参数(例如燃料和进气口的尺寸和速度)的效果。最终，他们能够在模拟中捕获蓝色漩涡。

张说：“这些对蓝色漩涡的模拟涉及到时空的多个尺度。” “我们还需要对多种物理和重烃化学进行建模。计算起来非常困难且昂贵。最重要的是，我们希望保持这种新火焰的3D动态。这些3D方面增加了更多内容计算成本。”

科学家们获得了由国家科学基金会资助的XSEDE上的超级计算机分配。通过XSEDE，他们利用了Stampede2超级计算机和德克萨斯高级计算中心的Ranch数据存储系统。

数值搜寻的模拟和最终的蓝色漩涡模拟消耗了马里兰大学在Deepthought2系统上分配的400万个CPU小时;空军研究实验室的Thunder系统;和Stampede2，在其Skylake节点上大约需要23,000个节点小时。

除火焰结构外，科学家还研究了蓝色涡流的流动结构，该涡流涉及一种称为涡流分解的流体动力学现象。基本上，混乱而回旋的黄色火焰崩溃成漩涡破裂的“气泡模式”，并形成蓝色涡旋。

“最让我惊讶的是它是如何从火漩涡中演变而来的，”奥兰解释道。“火旋涡是一种怪物，是一种破坏性的事物。然后突然间，它变成了这股平静而微小的小火焰，没有湍流。在形成它的过程中，您看到了所有这些涡旋分解的流体动力学模式，这些模式这是一种美丽的流体现象，您可能会从飞机机翼脱落的涡流中看到它。”

研究人员希望，对蓝涡旋的进一步了解可以帮助科学家们开发出更清洁燃烧燃料的方法。张说：“这可能是一种新的从传统化石燃料中提取能量的方法，其烟尘最少，污染减少，环境影响小。”

奥兰强调，偶然性在发现蓝涡现象中起了很大的作用。

奥兰说：“我认为探索，跟随您的好奇心并尝试新的想法很重要。例如，如果我们从未见过肯塔基州湖上的大火，那波旁威士忌全都洒到了那里的湖上，而闪电点燃它，在湖上形成火漩涡，我们再也找不到蓝色漩涡了。每次当你在地毯下面看时，都会发现新的东西，一种新的昆虫，一种新的火焰。”

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