Characterization of the combustion process of hydrogen/methane/air and ethanol/air mixtures through instabilities generated in expanding spherical flames

Abstract

The study and characterization of the combustion process through the analysis of instabilities generated during flame propagation are fundamental to ensuring the safety and control of such processes. Combustion with excessive instabilities in its flame front can alter its performance, leading to undesired behaviors. This Doctoral Thesis addresses two key aspects. First, a "stability study of the combustion process" is conducted, focusing on analyzing the origin and nature of the intrinsic instabilities in combustion processes of mixtures with different proportions of hydrogen and methane. The experiments, carried out with flame fronts of spherical geometry, were performed in a constant-volume combustion bomb (CVCB), using Schlieren photography to record the process. Secondly, a "stability study of the flame" is developed for ethanol-air mixtures, aimed at analyzing the measurable consequences of the growth of instabilities during the combustion process. These consequences include the acceleration of the combustion process (increase in burning velocity) due to the increase in flame surface area, as well as alterations in the flame front morphology (a phenomenon known as "cellularity"). Both effects are attributable to the growth of instabilities, which can be observed and quantified. To conduct both studies, an initial literature review is presented, addressing the concepts and parameters used in current research on instabilities in spherical flames, as well as their physical explanation and the relationships between them. The methodology for the "stability study of combustion processes" focuses on determining how the fuel ratio influences the origin and development of flame front instabilities. The independent behaviors of the hydrodynamic and thermo-diffusive effects of combustion are also analyzed, as well as their contributions to the growth rate of instabilities, allowing the nature of the combustion process to be identified. Finally, a qualitative analysis of the cellularity phenomenon (when instabilities fully develop in the flame front) is conducted, and parameters that may influence its appearance are identified. On the other hand, for the "stability study of the flame," a model based on the statistical tool "Design of Experiments" (I-Optimal Design) is proposed, designed to predict the onset of cellularity in ethanol flames. The results obtained from this model are compared with previous studies, experimental results, and images obtained using Schlieren photography.

El estudio y la caracterización del proceso de combustión mediante el análisis de las inestabilidades generadas durante la propagación de la llama son fundamentales para garantizar la seguridad y el control de dichos procesos. Una combustión con excesivas inestabilidades en su frente de llama puede alterar su desempeño, dando lugar a comportamientos no deseados. En esta Tesis Doctoral se abordan dos aspectos clave. En primer lugar, se realiza un “estudio de estabilidad del proceso de combustión”, enfocado en analizar el origen y la naturaleza de las inestabilidades intrínsecas a procesos de combustión de mezclas con diferentes proporciones de hidrógeno y metano. Los experimentos, llevados a cabo con frentes de llama de geometría esférica, se ejecutaron en una bomba de combustión a volumen constante (BCVC), utilizando fotografía Schlieren para registrar el proceso. En segundo lugar, se desarrolla un “estudio de estabilidad de la llama” en mezclas de etanol y aire, cuyo objetivo es analizar las consecuencias medibles del crecimiento de las inestabilidades en el proceso de combustión. Estas consecuencias incluyen la aceleración del proceso de combustión (incremento en la velocidad de combustión) debido al aumento de la superficie de la llama, así como la alteración de la morfología del frente de llama (un fenómeno conocido como “celularidad”). Ambos efectos son atribuibles al crecimiento de las inestabilidades, que pueden ser observadas y cuantificadas. Para llevar a cabo ambos estudios, se presenta inicialmente una revisión bibliográfica que aborda los conceptos y parámetros empleados en investigaciones actuales sobre inestabilidades en llamas esféricas, además de su explicación física y las relaciones existentes entre estos. La metodología para el “estudio de estabilidad en procesos de combustión” se centra en determinar cómo la proporción de los combustibles influye en el origen y desarrollo de las inestabilidades del frente de llama. También se analiza de manera independiente el comportamiento de los efectos hidrodinámico y termo-difusivo propios de la combustión, así como sus contribuciones a la tasa de crecimiento de las inestabilidades, lo que permite identificar la naturaleza del proceso de combustión. Finalmente, se realiza un análisis cualitativo del fenómeno de celularidad (cuando las inestabilidades se desarrollan completamente en el frente de llama) y se identifican parámetros que podrían influir en su aparición. Por otro lado, para el “estudio de estabilidad de la llama” se propone un modelo basado en la herramienta estadística de “Diseño de experimentos” (diseño I-Óptimo), diseñado para predecir la aparición de celularidad en llamas de etanol. Los resultados obtenidos a partir de este modelo se comparan con estudios previos, con resultados experimentales y con imágenes obtenidas mediante fotografía Schlieren.