Estudio experimental de la velocidad de quemado local en llamas de premezcla y su relación con el alargamiento del frente de llama debido a su curvatura y a la tasa de deformación del flujo de gas

Resumen

Se ha desarrollado un dispositivo experimental para analizar la correlación local entre la velocidad de quemado de una llama de premezcla y su tasa de extensión unitaria (stretch) en llamas laminares de chorro de metano-aire, usando métodos basados en velocimetría de partículas (PIV). Cuando la velocidad de soplado de los gases frescos es relativamente baja (llamas redondeadas), se observa la relación lineal clásica (relación de Markstein) entre stretch y velocidad de llama. Sin embargo, cuando la velocidad de soplado es suficientemente elevada, las llamas (altas) muestran tres zonas diferentes con una relación stretch-velocidad que va de la relación lineal clásica (lejos de la punta) a una relación fuertemente no lineal (cerca de la punta) conectados por una región cuasi-lineal intermedia. Fuera de la zona lineal, los valores locales de tasa de extensión (alargamiento o stretch) a lo largo del frente de llama resultan no ser suficientes para determinar unívocamente la velocidad de quemado de la llama. En los experimentos que se han llevado a cabo, la velocidad de soplado de los gases frescos tiene el papel de un parámetro de control independiente que permite, a llamas sometidas al mismo stretch, propagarse localmente a diferentes velocidades. En la mayoría de las llamas analizadas en este trabajo, el stretch es principalmente debido a curvatura mientras que el efecto de la tasa de deformación es despreciable. Para una velocidad de soplado dada, la relación local entre velocidad y stretch a lo largo del frente de llama se analiza aquí en términos de una relación cuadrática de la forma V_n=1+s+f_blow s^2+O(s^3 ) donde V_n y s son las formas adimensionales de la velocidad de quemado y (menos) el stretch de la llama respectivamente, y el factor f_blow que afecta el términos cuadrático depende de la velocidad de soplado. Por un lado, esta expresión se eligió como una extensión natural de los modelos lineales clásicos. Por otro lado, el abrupto cambio observado en el comportamiento de la llama al pasar de redondeada a esbelta, hace que la contribución del factor cuadrático f_blow varíe críticamente con la velocidad. Los resultados experimentales muestran que este factor se ajusta a una dependencia en forma de raíz cuadrada de la diferencia entre la velocidad de soplado y una velocidad crítica por debajo de la cual se cumple la relación de Markstein f_blow ~ (V_blow-V_c)^(1/2). Esta forma es reminiscente de un umbral de inestabilidad que separa las llamas redondeadas (poco curvadas) de las esbeltas (muy curvadas) y se muestra dependiente de la velocidad de soplado; el valor umbral de esta velocidad crítica de soplado toma valores de entre 2 y 3 veces la velocidad de llama plana y depende débilmente de la estequiometria de la mezcla metano-aire. Además se ha intentado generalizar la expresión final de la relación stretch-velocidad a otras configuraciones que mantengan una contribución depreciable de la tasa de extensión al stretch. En estos casos generales de llamas curvadas de forma general (no simplemente de tipo jet), la velocidad de soplado debe de ser sustituida por la velocidad del gas aguas arriba de la zona del frente de llama considerada. Finalmente se analiza la expresión generalizada para encontrar características del comportamiento de la llama detectables experimentalmente.