超级计算机揭示了惊人的蓝色旋转火焰结构

德州高级计算中心的Stampede2超级计算机可模拟燃烧引起的涡旋破坏的3D结构。

雷电袭击了一个波旁威士忌仓库，在2003年点燃了肯塔基州Bardstown乡村的80万加仑酒。据当地报道，其中一些溢出到附近的一条小溪中，产生了巨大的龙卷风或“波旁纳多”。

它的航拍录像激发了科学家们研究火旋风，火龙卷风，这有望对溢油进行补救，因为酒精燃烧时产生的烟灰相对较少。

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”。

蓝色涡流是一种旋转的火焰现象，它是从混乱的火涡流演变而来的，燃烧时几乎没有烟灰。超级计算机模拟显示了蓝涡旋的火焰结构和流动结构。（A）数值模拟的放热率的体积绘制。（B）总结了蓝色漩涡模拟最终结果的示意图，该结果显示了三种不同类型的火焰的组合。（C）观察到蓝色漩涡。

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漩涡的主要结构，”德克萨斯农工大学航空工程系O'Donnell基金会教授兼VI教授Elaine Oran说。Oran是蓝色漩涡的共同发现者，并且是2020年8月在PNAS上发表的关于其结构的研究的合著者。“我们知道，这是多种类型的火焰的结合，它们一起形成了可能是我们以前见过的最理想的燃烧配置。”

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（Oran）说，它的顶部与哈利·波特（Harry Potter）的分拣帽形状相同。它的大部分燃烧是沿着非常明亮的蓝色边缘旋转的。

在实验中观察到蓝色的旋转。（A）稳定的蓝色漩涡。（B）轻微不稳定的蓝色旋转，中间有烟灰，表明涡旋破裂的气泡模式。

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地与火焰区域相切，这通常用于产生用于实验室研究的旋转涡流。

最初形成了混乱的池火。吸入室内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，出乎意料的是，它坍塌成了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及其发生的位置，”该研究的合著者，德克萨斯A＆M大学航空工程系博士后研究员Xiao Zhang说。 ，为Oran工作。

复合图像显示了流程结构。切片通过计算域的中心和为流量诊断选择的值。（A）精简。（B）切向速度。（C）轴速度。放热速率的轮廓叠加在顶部以指示反应区域。显示的切片为6厘米宽的放大区域。（D）在（B）中从白色虚线的蓝色漩涡下方截取的切线速度线图，显示了计算域的整个宽度。

超级计算机模拟有助于弄清蓝色漩涡的结构，该结构由三种火焰组成。底部是浓的预混火焰，顶部是紫色的帽状扩散火焰。模拟结果表明，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（例如燃料和进气口尺寸和速度）的效果。最终，他们能够在模拟中捕捉到蓝色的漩涡。

张说：“这些对蓝色漩涡的模拟涉及到时间和空间的多个尺度。”“我们还需要为多种物理学和重烃化学建模。这些可能非常困难且计算成本很高。最重要的是，我们希望保持这种新火焰的3D动态。这些3D方面增加了计算成本。”

TACC的Stampede2超级计算机通过NSF资助的极限科学和工程发现环境分配。

科学家们获得了由美国国家科学基金会（National Science Foundation）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；空军研究实验室的雷电系统；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。“火旋是怪物，是毁灭性的事情。突然间，它变成了这种安静，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破裂的流体动力学模式，这是一种美丽的流体现象，您可能会从飞机机翼脱落的涡旋中看到这种现象。”

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地燃烧燃料的方法。张说：“这可能是一种从传统化石燃料中提取能源的新方法，其烟灰最少，污染减少，对环境的影响最小。”

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：“我认为重要的是探索，跟随您的好奇心并尝试新的想法。例如，如果我们从未见过肯塔基州湖上的大火，当所有波旁威士忌都洒到湖上并被闪电点燃，并在湖上形成火漩涡时，我们将永远找不到蓝色漩涡。每次您查看地毯时，都会发现一些新东西。一种新的昆虫，一种新的火焰。”

参考：Joseph D. Chung，Xiao Zhang，Carolyn R. Kaplan和Elaine S. Oran的“揭示的蓝色漩涡结构”，2020年8月12日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.aba0827

该研究发表在2020年8月12日的《科学进展》杂志上。作者是马里兰大学的Joseph D. Chung和Carolyn R. Kaplan。得克萨斯州A＆M大学的Xiao Zhang和Elaine S. Oran。研究经费来自美国国家科学基金会（CBET 1839510）；陆军研究办公室（授权号为W911NF1710524）；马里兰大学航空工程系的Minta Martin捐赠基金；马里兰大学A. James Clark工程学院的Glenn L. Martin研究所主席教授和A. James Clark杰出教授职位，以及得克萨斯州A＆M大学的TEES杰出教授职位，感谢他们对这项工作的支持。该研究还部分由陆军研究实验室赞助，并根据合作协议号W911NF-19-2-0307完成