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Tesis:

Extinción de llamas premezcladas en el límite inferior de inflamabilidad

  • Autor: MUNTEAN, Victor

  • Título: Extinción de llamas premezcladas en el límite inferior de inflamabilidad

  • Fecha: 2017

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AERONAUTICOS

  • Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/48168/

  • Director/a 1º: HIGUERA ANTÓN, Francisco José

  • Resumen: Se presenta un estudio experimental y numérico de la propagación ascendente de una llama en una mezcla muy pobre de metano y aire contenida en un tubo vertical que está abierto por su extremo inferior y cerrado por el superior. La flotabilidad juega un papel dominante en la propagación de estas llamas, cuya forma y velocidad de ascenso son similares a las de una burbuja que sube en un tubo lleno de líquido. En un sistema de referencia ligado a la llama, cuando la riqueza se aproxima a la correspondiente al límite inferior de inflamabilidad, aparece una zona de baja velocidad en el gas quemado inmediatamente detrás de la llama, cuyo tamaño es del orden del radio del tubo y aumenta al disminuir la riqueza de la mezcla. La presencia de esta región, donde el tiempo de residencia del gas caliente es muy alto, intensifica el efecto de las pérdidas de energía por radiación, que es despreciable para riquezas algo mayores porque la concentración de las especies radiantes (principalmente C02 y H20) es pequeña. Estas pérdidas enfrían el gas y dan lugar a un flujo de calor por conducción desde la llama al gas quemado, que es suficiente para causar la extinción de la llama por efectos térmicos para un valor de la riqueza próximo al medido experimentalmente en el tubo de inflamabilidad estándar. En el estudio numérico se ha modelado la combustión mediante una reacción global única, y se han tenido en cuenta las pérdidas por radiación debidas a las especies C02 y H20 admitiendo que el gas es ópticamente delgado y la pared del tubo es transparente y está fría. El efecto de la radiación es importante en el tubo de inflamabilidad estándar, de 51 mm de diámetro, pero disminuye con el diámetro del tubo. Los resultados numéricos y las estimaciones de órdenes de magnitud llevadas a cabo muestran que, en ausencia de radiación, la propagación de la llama sólo deja de ser posible para valores muy pequeños de la riqueza, para los que existe una zona de recirculación que contiene una parte de la región de reacción. En el estudio experimental se ha medido la velocidad de ascenso del frente de llama mediante una serie de fotodiodos equiespaciados a lo largo de la pared del tubo y por métodos fotográficos, y se ha usado un sistema de PIV para medir la velocidad del gas inducida por la llama en un plano vertical que contiene al eje del tubo. Se han usado partículas trazadoras micrométricas de alúmina, y se ha extraído de las imágenes de PIV el contorno de la región luminosa de la llama, supuesta axilsimétrica. Se ha propuesto un modelo unidimensional del flujo y la llama cerca del eje del tubo, basado en ecuaciones de conservación simplificadas, que permite calcular aproximadamente las distribuciones de temperatura y concentraciones de las especies a partir del perfil de velocidad medido. Se ha mostrado que las partículas trazadoras no siguen el movimiento del gas en el interior de la llama, debido a la fuerza de termoforesis que actúa sobre ellas en esta región, donde el gradiente de temperatura es muy intenso. Esto causa un error importante en las medidas de velocidad con PIV. Se ha propuesto un método iterativo de corrección de este error basado en el modelo unidimensional mencionado más arriba. El método se ha validado empleando imágenes de PIV sintéticas. ----------ABSTRACT---------- The stationary upward propagation of a very lean methane/air flame in a long vertical tube open at the bottom and closed at the top is investigated experimentally and numerically. On the numerical side, a single overall chemical reaction is used to model combustion, while radiation losses from CO2 and H2O are approximately accounted for by assuming an optically thin gas bounded by a transparent or non-reflecting tube wall. Buoyancy plays a dominant role in the propagation of these flames and causes a large region of low velocity of the burnt gas relative to the flame to appear below the flame front when the equivalence ratio is decreased. The size of this region scales with the radius of the tube, and its presence enhances the effect of radiation losses, which would be otherwise negligible for a standard flammability tube, given the small concentration of radiating species. Heat conduction is found to be important in the low velocity region and to lead to a conduction flux from the flame to the burnt gas that causes extinction at the flame tip for a value of the equivalence ratio near the flammability limit experimentally measured in the standard tube. The effect of radiation losses decreases with the radius of the tube. Numerical results and order-of-magnitude estimates show that, in the absence of radiation, a very lean flame front fails to propagate only after recirculation of the burnt gas extends to its reaction region and drastically changes its structure. This condition is not realized for the standard flammability tube, but it seems to account for the flammability limit measured in a tube of about half the radius of the standard tube. On the experimental side, the velocity of the flame front has been measured with an array of photodiodes set along the tube wall and, independently, from photographic records. A PIV system triggered by a photodiode signal has been used to measure the velocity of the flow induced by the flame front in a vertical plane through the axis of the tube. Alumina particles are used to seed the gas. The contour of the luminous region of the flame front, assumed cylindrically symmetric, has been extracted from the recorded images. As expected, the shape and velocity of a very lean flame front, and the velocity of the fresh gas relative to the front, are similar to those of a bubble rising in the tube. The flow of the burnt gas features the region of low velocity (relative to the flame front) mentioned above which enhances radiation losses and seems to play an important role in the extinction of the flame at the flammability limit. This limit is found to depend very sensitively on the temperature of the tube wall. A simple model is proposed of the flow around the axis of the tube and the combustion around the tip of the flame front. This model uses the measured gas velocity at the axis of the tube together with simplified conservation equations to compute the temperature and species concentrations along the axis for a given kinetic scheme and radiation law. The results for a single overall Arrhenius reaction and for a four-step reduced scheme, both in an optically thin gas, are in reasonable agreement with the experimental data and shed some light on the roles played by radiation losses and kinetic effects on the flammability limit measured in the standard flammability tube. Namely, these results show that a conduction-radiation balance is approached in a region of low velocity that develops behind the flame front when the flammability limit is approached. Radiation losses from the combustion products in this region become then important and may cause the extinction of the flame. The thermophoretic drift of the seeding particles relative to the gas is shown to cause an error in the PIV measurements in the transport region of the flame, where the temperature gradient is large. An iterative correction of the measured velocity is proposed based on the quasiunidimensional model mentioned above, in which simplified energy and species conservation equations are used to compute an approximation to the profile of gas temperature across the flame in terms of the profile of gas velocity. The correction is tested using synthetic velocity fields and applied along the axis of the tube.