Tesis:
Isolated flames of lean hydrogen-air mixtures in narrow gaps
- Autor: DOMÍNGUEZ GONZÁLEZ, Alba
- Título: Isolated flames of lean hydrogen-air mixtures in narrow gaps
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/87718/
- Director/a 1º: MARTÍNEZ RUIZ, Daniel
- Resumen: The project of this doctoral thesis focuses on the study of the propagation of deflagration fronts in lean hydrogen-air mixtures. This is a relevant topic addressing safety challenges in the use of hydrogen as an alternative fuel, whose ultimate goal is the development of a more efficient and clean power generation system in the future. The objective of this doctoral thesis is to analyze isolated configurations of lean hydrogen-premixed flames which conform weak but hazardous reactive fronts in channels and gaps, as a representation of accidental combustion in confined leakage scenarios.
The first part of the thesis focuses on the numerical study of two stationary canonical configurations that propagate through a simplified setup, a Hele-Shaw chamber formed by two parallel plates. The stable structures are an isolated circular flame and a double-cell flame, whose two tips are separated by a chemically frozen gap. This analysis includes a description of the flow field as well as a parametric space exploration, based on the heat-losses parameter and the buoyancy effects. A significant result arises from the parametric study: both flame configurations coexist under the same set of parameters. This bi-stable behavior depends on the flow history, allowing the appearance of one or the other steady structure by varying the initial condition at ignition. This work led to the first publication in the 'Proceedings of the Combustion Institute' in 2022, entitled 'Stable circular and double-cell lean hydrogen-air premixed flames in quasi-two-dimensional channels'. The contents can be found in chapter 4 Steady-state propagation.
After the presentation of the two canonical steady configurations, chapter 5 focusses on the ignition transients as a key factor for the formation of one or the other isolated configurations. An analysis is conducted through a series of simulations with different initial conditions, where flow segmentation and tracking allow the display of temporal evolution of variables associated with specific flame kernels. This study identifies two processes that determine the merging process between isolated kernels to form the double-cell structure: confinement by adjacent flame fronts and the oscillatory seeding process. This second study was developed during the Fifth Turbulence Madrid Workshop, held at ETSIAE in the summer of 2023, and led to a second publication in the 'Proceedings of the Combustion Institute', entitled 'Pathway dynamics to double-cell premixed flames in lean hydrogenair mixtures', published in 2024. Moreover, additional collaborations with researchers at UC3M granted the experimental observation of the multiplicity of regimes and validation of the predictions of this work. This was published in 'Physics of Fluids' with the title 'Unveiling the bi-stable character of stealthy hydrogenair flames'. The results are included in chapter 5 Transient dynamics.
After these two sections of results, two more specific aspects are discussed through various methods. Chapter \ref{ch::chapter6} presents a theoretical approach based on asymptotic techniques applied in this case to the circular configuration. This study began during a research stay at the University of California, San Diego, in the summer of 2022, under the supervision of Prof. Antonio L. Sánchez. On the other hand, chapter 7 links the high heat losses sustained by this configuration type to the curvature of the flame kernel. Specially, a composition-space analysis was proposed to extract particular details of the physical mechanisms involved. The problem is projected onto local curvilinear coordinates according to the isocontours of species scalar, to separate normal components aligned with the gradient of species and tangential contributions. This final analysis was initiated during a research stay at INSA, Rouen in the summer of 2024, under the supervision of Prof. Luc Vervisch.
All the physical understanding obtained from the main studies is gathered in chapter 8, offering a general discussion on the topic. Finally, chapter 9 draws the main conclusions of this work, highlighting the achieved goals and potential repercusion on the field, and details future prospects of research.
All things considered, this work conforms a coherent approach based on numerical and asymptotic methods that has helped to provide further understanding on the behavior of isolated near-limit hydrogen flames, shedding some light on the physical mechanisms and conditions for their appearance. In conclusion, it may serve for the development of future preventive strategies against accidents of hydrogen-fueled devices and grant further scientific analyses and discussion.
RESUMEN
El proyecto de tesis doctoral se centra en el estudio de propagación de frentes de defragración sobre mezclas pobres de hidrógeno-aire. Estudio enmarcado en temas de seguridad en uso de hidrógeno como nuevo combustible, cuyo fin último es un futuro más eficiente y limpio en términos energéticos. El objetivo de esta tesis doctoral es analizar configuraciones aisladas cuasi-bidimensionales de llama pobre hidrógeno-aire en premezcla.
La primera parte de la tesis se centra en presentar las dos configuraciones canónicas de llama cuasi-bidimensional que se propagan de forma estacionaria por el interior de una cámara de combustión Hele-Shaw. Se trata de una configuración circular y una doble, cuyas dos cabezas se encuentran separadas por una zona químicamente congelada. El estudio abarca, tanto una descripción del flujo, como una exploración del espacio paramétrico, basado en los parámetros de pérdida de calor y constante gravitacional. Es aquí, durante el estudio paramétrico, donde llegamos al primer hallazgo significativo, las dos configuraciones de llama parecen coexistir bajo el mismo conjunto de parámetros. Este comportamiento bi-estable parece depender de la historia del flujo, pudiendo obtener una u otra configuracion estacionaria cambiando la condición inicial. Este trabajo da lugar a una primera publicación, en la revista 'Proceedings of the Combustion Institute' in 2022, con el título de 'Stable circular and double-cell lean hydrogen-air premixed flames in quasi two-dimensional channels'. El contenido de este articulo puede encontrarse en el capítulo 4.
Una vez presentadas las dos configuraciones canónicas, se estudian los transitorios de ignición como punto clave en la consecución de una u otra configuración. Se presenta un estudio de igniciones en el que se analizan una serie de casos de simulación. Se señalan durante este estudio dos procesos que dictan el proceso de 'unión' entre dos núcleos aislados para dar lugar a la estructura doble, el confinamiento por frentes de llama adyacentes y el proceso oscilatorio y sembrado. Este segundo estudio se desarrolló durante el Fifth Turbulence Madrid Workshop' celebrado en la ETSIAE en el verano de 2023 y da lugar a la segunda publicación, también en el 'Proceedings of the Combistion Institute', con el título de 'Pathway dynamics to double-cell premixed flames in lean hydrogenair mixtures' publicado ya en 2024. Colaboraciones adicionales con investigadores de la UC3M permitieron la observación experimental de la multiplicidad de regímenes y la validación de las predicciones de los trabajos previos. Esto fue publicado en la revista Physics of Fluid con el título de Unveiling the bi-stable character of stealthy hydrogenair flames. El contenido de estos artículos queda reflejado a lo largo del capítulo 5.
Tras esta primera ronda de resultados, en los siguientes dos capítulos se discuten dos aspectos algo más concretos. El capítulo 6 presenta una aproximación teórica basada en técnicas asintóticas, permitiendo un análisis de las escalas del problema, aplicado en este caso a la configuración circular. Este estudio se inició durante una estancia de investigación en la Universidad de California, San Diego, en el verano de 2022, bajo la supervisión del Profesor Antonio L. Sánchez. Por otro lado, el capítulo 7 relaciona las altas pérdidas de calor soportadas por este tipo de configuración con la curvatura del núcleo de llama. Este análisis se desarrolló durante una estancia de investigación en el INSA de Rouen en el verano de 2024, bajo la tutela del Profesor Luc Vervisch.
Finalmente, el capítulo 8 presenta una discusión sobre las implicaciones físicas de los resultados obtenidos para, posteriormente, pasar a las conclusiones en el capítulo 9.
Este trabajo constituye un planteamiento teórico basado en métodos numéricos y asintóticos que ha contribuido a comprender mejor el comportamiento de los kernels aislados, arrojando algo de luz sobre los mecanismos físicos y las condiciones de su aparición. El estudio servirá para el desarrollo de futuras estrategias preventivas contra accidentes en dispositivos alimentados por hidrógeno y abrir futuros análisis y discusiones científicas.