Tecnologia Científica

Estrutura de chama redemoinho azul revelada com supercomputadores
O caótico e perigoso redemoinho de fogo se transformou em uma chama de fogo mansa e limpa que eles chamam de 'redemoinho azul'.
Por Universidade do Texas - 10/11/2020


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 depósito de bourbon, incendiando um esconderijo de 800.000 galões de bebida alcoólica na zona rural de Bardstown, no Kentucky, em 2003. Parte dela se espalhou em um riacho próximo, gerando um enorme tornado de incêndio, ou 'bourbonado', conforme relatado localmente.

O vídeo aéreo inspirou cientistas a investigar redemoinhos de fogo, tornados de fogo, como algo promissor para 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, professora e presidente VI da O'Donnell Foundation, Departamento de Engenharia Aeroespacial da Texas A&M University. Oran é co-descobridor do redemoinho azul e coautor 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 nas mais configuração ideal para queima, que já havíamos visto antes. "

Um redemoinho azul é semelhante a uma chama azul giratória que se parece com o topo de um brinquedo de criança. Oran diz que o topo dele 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 então foi aceso. Dois semicilindros de quartzo foram suspensos sobre a panela. Compensar os semicilindros criou duas fendas verticais que permitiam que o ar fosse puxado tangencialmente à região da chama, comumente usada para criar redemoinhos de fogo para estudo em laboratório.

Uma piscina caótica de incêndio se formou a princípio. 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, desabou na calma estrutura de uma chama de redemoinho azul.
 
"Estudamos a estrutura dessa nova chama por meio de simulação numérica e descobrimos o tipo de queima e onde ocorre", disse o co-autor do estudo Xiao Zhang, pesquisador pós-doutorado do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Texas A&M University , que trabalha para Oran.

As simulações do supercomputador ajudaram a desvendar a estrutura do redemoinho azul, que acabou sendo feito de três tipos de chamas. Na parte inferior está uma chama pré-misturada rica, coroada no topo com uma chama de difusão roxa em forma de chapéu. As simulações revelaram uma chama oculta em torno da névoa roxa, do lado de 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 da
linha tracejada branca em (B), mostrado para toda a largura do
domínio computacional. Crédito: Chung et al., Sei. Adv. 2020.

Os cientistas enfrentaram alguns desafios ao simular as chamas.

"O redemoinho azul nos experimentos [de laboratório] evoluiu e se desenvolveu por si mesmo", disse Zhang. Os diagnósticos dos experimentos foram limitados, o que não nos deu 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 as equações de fluxo instáveis, compressíveis e reativas de Navier-Stokes. Usando esse código, eles exploraram os efeitos dos parâmetros de controle, 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", disse Zhang. "Também precisávamos modelar física múltipla e a química de 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 para o cálculo. "

Os cientistas receberam atribuições de supercomputadores no XSEDE, financiado pela National Science Foundation. Por meio do XSEDE, eles fizeram uso do supercomputador Stampede2 e do 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 de 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 envolvia um fenômeno de dinâmica de fluidos denominado quebra de vórtice. Basicamente, a caótica chama amarela giratória colapsa em um 'modo de bolha' de quebra do vórtice e forma o redemoinho azul.

"O que mais me surpreendeu foi como ele evoluiu a partir do redemoinho de fogo", explicou Oran. "Um redemoinho de fogo é um monstro, uma coisa devastadora. Então, de repente, ele se transforma em uma pequena chama silenciosa e minúscula, sem turbulência. No processo de formação, você viu todos esses modos dinâmicos fluidos de quebra de vórtice, que é um belo fenômeno de 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 maneira 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, seguir sua curiosidade e experimentar novas ideias. Se nunca tivéssemos visto, por exemplo, o incêndio no lago em Kentucky, quando todo o bourbon caiu no lago ali e relâmpago acendeu-o 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 . "

 

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