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대규모 화재 현장에서는 불꽃이 회오리바람을 일으키는 현상을 종종 볼 수 있다. 높은 열이 강한 상승기류를 만들어 소용돌이 불꽃이 형성되는 이런 현상을 ‘불꽃 회오리바람(fire whirl)’이라고 부른다. 미국 연구팀이 불꽃 회오리바람에서 파생된 ‘파란 회오리바람(blue whirl)’의 형성 원인을 밝혔다. 

조셉 청 미국 메릴랜드대 항공우주공학과 교수팀은 2016년 액체 탄화수소로 불꽃 회오리바람을 인위적으로 만들어내는 실험을 진행하던 중 파란 회오리바람 현상을 발견했다. 파란색 고리 모양 불꽃이 토네이도처럼 회전하며 타오른 것이다. 

연구팀은 파란 회오리바람이 어떻게 만들어지는지 알아내기 위해 불꽃이 만들어질 때의 기체 흐름과 확산을 컴퓨터 시뮬레이션으로 분석했다. 그 결과, 세 가지 불꽃이 조합된 결과물이라는 사실을 알아냈다. 파란색 고리 아래쪽 연료가 많이 섞인 불꽃, 파란색 고리 옆쪽 연료가 적게 섞인 불꽃, 파란색 고리 위쪽 연료가 공기와 섞이기 시작하며 발화가 이뤄지는 불꽃 등 세 가지 불꽃의 기체 흐름이 상호작용해 파란 회오리바람을 만들어냈다.

연구팀은 일반적인 불꽃 회오리바람이 회전 속도가 빨라지면 와류붕괴(vortex breakdown)가 일어나면서 이런 세 가지 불꽃이 만들어지는 것으로 분석했다. 시뮬레이션 결과 파란 회오리바람은 탄소가 불완전 연소한 그을음이 전혀 나오지 않았다. 연소 효율이 높고 공기를 오염시키지 않는다는 뜻이다. 

청 교수는 “파란 회오리바람은 모든 연료가 산화되는 완전연소를 일으켜 매연 없이 물질을 태울 수 있다”며 “파란 회오리바람을 제어할 수 있는 연구가 이뤄진다면 추진기 등 연소가 필요한 곳에 유용하게 사용할 수 있을 것”이라고 말했다. 

연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 8월 12일자에 실렸다. doi: 10.1126/sciadv.aba0827