Blauwe wervelvlam is nieuw vlamtype

Natuurkunde Bij toeval ontdekten natuurkundigen een nieuw type vlam: een dansende blauwe cirkel met zeer efficiënte verbranding.

Vuurtornado’s vormen in het lab soms spontaan tollende, blauwe ringen van vuur.
Vuurtornado’s vormen in het lab soms spontaan tollende, blauwe ringen van vuur. Foto Science Advances

De blauwe, cirkelvormige wervelvlam ziet er magisch uit. De dansende ring van vuur werd een paar jaar geleden bij toeval ontdekt toen onderzoekers zochten naar efficiënte manieren om met gecontroleerde verbranding gelekte olievlekken in de oceaan op te ruimen. Dankzij een combinatie van experimenten en computersimulaties begrijpt een Amerikaanse onderzoeksgroep nu beter hoe de wervelvlammen ontstaan. Hun resultaten verschenen woensdag in Science Advances.

„We onderzochten in 2016 vuurwervelingen; grote, gevaarlijke combinaties van tornadoachtige wervelstormen en vuur”, mailt Elaine Oran van Texas A&M University. In hun experimenten in het lab bleken deze vuurtornado’s van een meter hoog soms spontaan te veranderen in tollende blauwe vuurringen. Dit verschijnsel was niet eerder gezien. Oran: „Vanuit het oogpunt van vloeistofdynamica is het een verbazingwekkende vlamstructuur. En vanuit artistiek oogpunt is het absoluut prachtig.”

Sindsdien proberen onderzoekers te achterhalen hoe en wanneer deze vlammen ontstaan. Niet alleen omdat het een mysterieus verschijnsel is, maar ook omdat het een stabiele vlam is die voor een ‘schone’ verbranding zorgt, waarbij alle brandstof verbrandt zonder roet achter te laten. Als deze vorm van verbranding gecontroleerd opgewekt en in stand gehouden kan worden – liefst zonder dat er eerst een gevaarlijke vuurtornado ontstaat – dan biedt dat mogelijkheden voor schonere, efficiëntere verbranding.

Oran en haar collega’s ontwikkelden een computermodel om het ontstaan van de vlammen te simuleren, mede op basis van de verbrandingsenergie en vloeistof- en luchtstromen. Digitaal bootsten ze zo de omstandigheden na waarbij de blauwe wervelvlammen waren ontstaan.

Ze ontdekten dat de blauwe wervelvlam bestaat uit drie verschillende vlammen die samenkomen. „Die verschillende soorten vlammen ontstaan door het stromingspatroon van binnenkomende lucht”, vertelt Oran. De lucht die vanaf onderaan de ringvormige wervel naar binnen stroomt, komt in een sterke luchtstroming terecht waardoor brandstof en lucht snel mengen. Dat levert een brandstofrijke vlam op in het gebied onder de blauwe ring. De brandstof die overblijft stijgt op en vormt een paarse, ijle vlam die boven de ringstructuur uitstijgt. Ten slotte is er de bijna onzichtbare, brandstofarme vlam die de paarse vlam omhult. Deze drie vlammen vormen samen de intens blauwe ring.

Hoe groot deze wervelvlammen kunnen worden is nog niet duidelijk. „De grootste ring die ik gezien heb in de experimenten had een doorsnee van ongeveer 15 centimeter”, vertelt Oran. „Maar ik denk dat we grotere kunnen maken.” „Als ik zo’n mooie, mysterieuze vlam gezien had tijdens een experiment zou ik het ook meteen onderzoeken”, zegt Yuriy Shoshyn vlammen en verbrandingsonderzoeker bij de Technische Universiteit Eindhoven. „Maar praktische toepassingen van deze vorm van verbranding zijn nog ver weg. Nu lijken deze vlammen alleen stabiel onder zeer specifieke omstandigheden, waardoor het lastig is om het in verbrandingsapparatuur buiten het lab te realiseren.” Verder onderzoek moet uitwijzen of de vlammen naast mooi ook nuttig kunnen zijn.