Das Rätsel der blauen Flammenwirbel

Heißes Blau oder rußendes Gelb – die Farbe einer Flamme verrät viel über den Verbrennungsprozess. Mit einem blauen Feuerwirbel entdeckten Forscher vor vier Jahren rein zufällig eine zuvor völlig unbekannte Flammenform. Dieser Flammenwirbel entsteht, während Heptan – ein flüssiger Kohlenwasserstoff – verbrennt. Mithilfe von Computersimulationen haben die Forscher den Feuerwirbel nun noch genauer untersucht, wie sie in der „Science Advances“ berichten. Mit den Simulationen lassen sich nicht nur die Ursachen für die ungewöhnliche Form besser verstehen, sondern zukünftig möglicherweise saubere und effizientere Verbrennungsprozesse entwickeln.

Vor vier Jahren wollten Xiao Zhang von der University of Maryland in den USA und ihre Kollegen mit ihren Versuchen eigentlich eine neue Methode finden, um Ölschichten nach Tankerunglücken möglichst effizient und schonend von Wasseroberflächen zu beseitigen. Dafür entzündeten die Forscher eine dünne Schicht aus Heptan, die auf Wasser schwamm. Beim Entzünden loderte zuerst eine rußig gelbe Flamme auf, doch kurz darauf stabilisierte sich ein blauer Flammenwirbel. In der blauen Flamme verbrannte das Heptan dann komplett rußfrei und vollständig. „Diese Flamme hat das Potenzial für eine ideale Energiequelle mit reduzierter Verschmutzung“, so Zhang.

Mit Computersimulationen auf Basis von komplexen Verbrennungsmodellen untersuchten Zhang und ihre Kollegen die speziellen Flammen nun noch genauer. In diesem Modell wurden viele verschiedene Parameter – vom Brennstoff über die Flammtemperatur bis zum Strömungsverhalten innerhalb der Flamme – berücksichtigt. Die Simulationen ergaben, dass die blauen Flammenwirbel aus vier Flammentypen bestehen: Unterhalb des Wirbels befindet sich eine Mischzone, in der ein Überschuss an Brennstoff vorliegt. Oberhalb dominiert ein schwach violetter Flammenbereich, in dem der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff in die Flamme diffundiert. Rund um diese Diffusionsflamme zeigte das Computermodell wieder eine Mischzone – jedoch mit einem Überschuss an Sauerstoff. Schließlich treffen im blauen Flammenwirbel alle vier Zonen aufeinander und bilden den spektakulären Flammentyp.

Die Ergebnisse der Simulationen verglichen die Forscher mit der Flammenstruktur im Experiment und fanden eine sehr große Übereinstimmung. Auf dieser Grundlage ließen sich nach Aussage der Forscher künftig Brennkammern entwickeln, in denen die blauen Flammenwirbel kontrollierter als bisher erzeugt werden. In weiteren Versuchen und Simulationen wollen Zhang und ihr Team unter anderem klären, wie sich die blauen Flammenwirbel in verschiedenen Größen erzeugen lassen und wie man das heftige Auflodern vermeidet, bevor sich der blaue Wirbel bildet.