Extinción de llamas premezcladas en el límite inferior de inflamabilidad

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 CO2 y H2O) 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 CO2 y H2O 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.