La transición del uso de hidrocarburos a combustibles alternativos, como el hidrógeno, se espera que sea una tarea muy compleja y costosa. Se requiere un análisis detallado del proceso de mezcla de combustible y oxidante.

En el presente trabajo, se investigaron las características de las mezclas de gas natural-hidrógeno-aire dentro de un quemador con movimiento de remolino, utilizando las técnicas de Anemometría Láser Doppler (LDA) y Velocimetría por Imagen de Partículas (PIV). El movimiento de remolino es una forma eficiente de mejorar y controlar la tasa de mezcla y la estabilización de la llama. El PIV y el LDA son técnicas complementarias de medición de velocidad utilizadas para investigar cómo interactúan entre sí las diferentes estructuras de llama con remolino.

Configuraciones experimentales

Se utilizó PIV para adquirir mediciones del campo de velocidad (100x80 mm²) en las zonas de recirculación y mezcla, y para extraer información sobre las líneas de corriente y la vorticidad. El LDA proporcionó información de velocidad puntual en el tiempo, lo que permitió medir la velocidad promedio del flujo. Para ambas técnicas, se utilizaron partículas de óxido de alúmina (Al2O3, diámetro nominal: 2µm) como trazadores.

Resultados de PIV en las zonas de recirculación y mezcla

En una región ubicada inmediatamente aguas abajo de la salida del quemador, las líneas de corriente superpuestas sobre imágenes de la llama muestran la existencia de una zona central de recirculación toroidal (CTRZ) y una zona de recirculación de esquina (CRZ). También se evidenció que la adición de hidrógeno provoca el desplazamiento de la región de liberación de calor a un área mucho más cercana a la salida de los reactivos.

Figura 1: Superposición de líneas de corriente e imágenes: 0% de hidrógeno (izquierda); 80% de hidrógeno (derecha).

En la Figura 2, que muestra llamas con 0% y 80% de hidrógeno, se observa un pico de vorticidad en las capas de cizalla entre la CTRZ y la CRZ. Estos resultados destacan el intenso proceso de mezcla que tiene lugar en esta región entre los reactivos provenientes de la cabeza del quemador y los productos calientes de las zonas de recirculación. Se puede deducir que es principalmente en esta región del campo de flujo donde los productos calientes de combustión y los radicales proporcionan energía para la ignición de la corriente de combustible-aire entrante.

Además, las mediciones de PIV evidencian que el desplazamiento de la zona de reacción, debido a la adición de hidrógeno, no solo afecta los campos de velocidad, sino también las regiones con altos niveles de vorticidad. Esto resulta en una disminución del tamaño con el aumento del contenido de hidrógeno.

Figura 2: Superposición del campo de vorticidad y líneas de corriente: 0% de hidrógeno (izquierda); 80% de hidrógeno (derecha).

Mediciones de LDA de la interacción de la estructura de flujo intermitente

Las funciones de densidad de probabilidad (PDF) de los datos de LDA permiten al usuario investigar cómo interactúan las diferentes estructuras de un flujo de remolino en la capa de cizalla entre la CTRZ y la CRZ. En general, las PDF de la velocidad axial son claramente gaussianas dentro de la CTRZ y la CRZ; sin embargo, se aplanan en la región de la capa de cizalla donde hay mezcla entre la corriente de reactivos salientes y el flujo inverso. Por ejemplo, como se muestra a continuación, la intermitencia del componente de velocidad axial se observa principalmente en r ≈ 10-15 mm. Así, los vórtices que giran en sentido antihorario están asociados con la interacción entre el flujo inverso descendente y la corriente ascendente desde la cabeza del quemador.

Figura 3: Fluctuación de la velocidad axial en 3 posiciones radiales diferentes por LDA

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