Combustión a Microescala
Los grandes avances en la nano y micro fabricación han permitido la minimización de multitud de aparatos electromecánicos. Entre ellos, la combustión a microescala ha adquirido una notable importancia como medio, por ejemplo, para suministrar potencia a estos aparatos y sustituir las baterías existentes. Se estima que dispositivos con sólo un 3% de eficiencia podrían competir con las actuales baterías eléctricas de Litio en la producción de energía portátil.
En la combustión a microescala nos encontramos ante un gran incremento en la relación superficie/volumen que provoca una importante pérdida de calor a través de las paredes y que afecta a la estabilidad de la llama. Habitualmente es necesario tomar medidas como la recirculación de calor, la combustión catalítica o el precalentamiento de los reactantes para poder sostener la combustión. El Grupo desarrolla estudios teóricos fundamentales en el campo de la dinámica y la propagación de llamas premezcladas en canales y conductos estrechos (del orden del milímetro) o llamas confinadas entre paredes, que nos permiten profundizar en la comprensión de los fenómenos fisicoquímicos involucrados y ayudar a mejorar el futuro diseño de dichos microcombustores.
Propagación de llamas en microcanales
Nuestras simulaciones numéricas, inicialmente bajo la aproximación de densidad constante, han demostrado, por ejemplo, el efecto de la difusión diferencial en la estabilidad de las llamas, provocando fenómenos de ruptura de la simetría y/o modos de propagación oscilatorios y rotativos.
En la figura inferior se muestran llamas (el ritmo de liberación de calor) de un cálculo DNS con transporte y química detallada de una mezcla pobre de hidrógeno-aire propagándose en un canal plano adiabático de 1 mm de espesor y alimentado con un caudal de 2·10-4 m2/s (por unidad de longitud). Se observa que la solución asimétrica (figura superior) es la solución estable del cálculo, y, por tanto, la única que se detectará en experimentos. La solución simétrica (figura inferior) se ha obtenido forzando la simetría del problema. Las llamas no simétricas consumen más combustible por unidad de tiempo (se propagan más rápidamente), liberan más potencia y pueden soportar mejor la combustión confinada. Tener en cuenta las soluciones que contemplan la ruptura de simetría tiene una enorme influencia en la correcta predicción del rango paramétrico de existencia y estabilidad de llamas en micro dispositivos, así como de las condiciones en las que pueden ocurrir fenómenos como el flash-back (régimen en el cuál la llama se propaga aguas arriba del canal, muy relacionado con la seguridad del dispositivo).
Propagación de llamas en celdas de Hele-Shaw
Un caso particular a la propagación de llamas en canales planos es la propagación de llamas a través de dos placas paralelas. Esta configuración, conocida como celda de Hele-Shaw, es la configuración más simple donde podemos encontrar efectos multidimensionales. El Grupo trabaja en un modelo bidimensional/quasi-2D que permite estudiar con relativamente poco coste computacional los efectos de la expansión térmica, la difusión diferencial, la gravedad, la viscosidad y las pérdidas de calor en la dinámica de la propagación de este tipo de llamas. La figura inferior derecha muestra el campo de temperaturas instantáneo obtenido en una simulación numérica de un frente de llama muy difusivo (Le=0.3), característico de mezclas pobres de hidrógeno-aire. Se observan las típicas formas de punta de flecha en el frente de llama y la formación de pequeñas células, características ambas encontradas en experimentos recientes de mezclas diluidas de hidrógeno-aire (figura inferior izquierda, cortesía del Grupo del Prof. Paul D. Ronney, CPL laboratory, University of Southern California). El modelo parece apoyar los resultados experimentales obtenidos previamente.
Aceleración de llamas en canales estrechos
En canales muy largos y estrechos que están abiertos a la atmósfera, el efecto combinado de la expansión térmica y el confinamiento lateral genera un flujo en los gases quemados que a su vez establece un gradiente de presión que puede llegar a acelerar sustancialmente los gases frescos hacia el extremo contrario. En estas circustancias el frente de llama sufre un fuerte estiramiento y curvatura que autoacelera la llama hasta valores de incluso 20 veces la velocdidad de la llama plana laminar. La figura inferior ilustra el estiramiento al que se ve sometido una llama propagándose en un canal de anchura 10 veces el espesor térmico
