Las inestabilidades de combustión son fenómenos físicos que ocurren en un flujo que reacciona (por ejemplo, una llama ) en el que algunas perturbaciones, incluso muy pequeñas, crecen y luego se vuelven lo suficientemente grandes como para alterar las características del flujo de alguna manera particular. [1] [2] [3]
En muchos casos prácticos, la aparición de inestabilidades de combustión es indeseable. Por ejemplo, las inestabilidades termoacústicas son un peligro importante para las turbinas de gas y los motores de cohetes . [1] Además, la descarga de la llama de un motor de turbina de gas aeronáutico en pleno vuelo es claramente peligrosa (ver apagado ).
Debido a estos peligros, el proceso de diseño de ingeniería de motores implica la determinación de un mapa de estabilidad (ver figura). Este proceso identifica una región de inestabilidad de combustión e intenta eliminar esta región o alejar la región operativa de ella. Este es un proceso iterativo muy costoso. Por ejemplo, las numerosas pruebas necesarias para desarrollar motores de cohetes [4] se deben en gran parte a la necesidad de eliminar o reducir el impacto de las inestabilidades de la combustión termoacústica.
Clasificación de inestabilidades de combustión
En aplicaciones dirigidas a motores, la inestabilidad de la combustión se ha clasificado en tres categorías, no del todo distintas. Esta clasificación fue introducida por primera vez por Marcel Barrère y Forman A. Williams en 1969. [5] Las tres categorías son [6]
- Inestabilidades de la cámara : inestabilidades que surgen debido a la ocurrencia de combustión dentro de una cámara (inestabilidades acústicas, inestabilidades de choque, inestabilidades fluidodinámicas asociadas con la cámara, etc.)
- Inestabilidades intrínsecas : inestabilidades que surgen independientemente de si la combustión ocurre dentro de una cámara o no (inestabilidades químico-cinéticas, inestabilidades difusivo-térmicas, inestabilidades hidrodinámicas, etc.)
- Inestabilidades del sistema : inestabilidades que surgen debido a la interacción entre los procesos de combustión en la cámara y en cualquier otro lugar del sistema (interacciones del sistema de alimentación, interacciones del sistema de escape, etc.)
Inestabilidades de combustión termoacústica
En este tipo de inestabilidades las perturbaciones que aumentan y alteran las características del flujo son de carácter acústico . Sus oscilaciones de presión asociadas pueden tener frecuencias bien definidas con amplitudes lo suficientemente altas como para representar un peligro grave para los sistemas de combustión. [1] Por ejemplo, en los motores de cohetes, como el motor de cohetes Rocketdyne F-1 [7] en el programa Saturn V , las inestabilidades pueden provocar daños masivos en la cámara de combustión y los componentes circundantes (ver motores de cohetes ). Además, se sabe que las inestabilidades destruyen los componentes del motor de turbina de gas durante las pruebas. [8] Representan un peligro para cualquier tipo de sistema de combustión.
Las inestabilidades de la combustión termoacústica se pueden explicar distinguiendo los siguientes procesos físicos:
- la retroalimentación entre las fluctuaciones de liberación de calor (o fluctuaciones de llama) con la cámara de combustión o la acústica
- el acoplamiento de estos dos procesos en el espacio-tiempo
- la fuerza de este acoplamiento en comparación con las pérdidas acústicas
- los mecanismos físicos detrás de las fluctuaciones de liberación de calor
El ejemplo más simple de una inestabilidad de combustión termoacústica es quizás lo que sucede en un tubo Rijke horizontal (ver también termoacústica ): considere el flujo a través de un tubo horizontal abierto en ambos extremos, en el que una llama plana se encuentra a una distancia de un cuarto del tubo. longitud desde el extremo más a la izquierda. De manera similar a un tubo de órgano , las ondas acústicas viajan hacia arriba y hacia abajo del tubo produciendo un patrón particular de ondas estacionarias . Este patrón también se forma en las cámaras de combustión reales, pero adquiere una forma más compleja. [9] Las ondas acústicas perturban la llama. A su vez, la llama afecta la acústica. Esta retroalimentación entre las ondas acústicas en la cámara de combustión y las fluctuaciones de liberación de calor de la llama es un sello distintivo de las inestabilidades de la combustión termoacústica. Normalmente se representa con un diagrama de bloques (ver figura). En algunas condiciones, las perturbaciones crecerán y luego se saturarán, produciendo un ruido particular. De hecho, se dice que canta la llama de un tubo de Rijke.
Las condiciones bajo las cuales crecerán las perturbaciones vienen dadas por el criterio de Rayleigh ( John William Strutt, 3er barón Rayleigh ): [10] Se producirán inestabilidades de combustión termoacústica si la integral de volumen de la correlación de las fluctuaciones de presión y liberación de calor en todo el tubo es mayor que cero (ver también termoacústica ). En otras palabras, se producirán inestabilidades si las fluctuaciones de la liberación de calor se combinan con las fluctuaciones de la presión acústica en el espacio-tiempo (ver figura). Sin embargo, esta condición no es suficiente para que ocurra la inestabilidad.
Otra condición necesaria para el establecimiento de una inestabilidad de combustión es que la activación de la inestabilidad del acoplamiento anterior debe ser mayor que la suma de las pérdidas acústicas. [11] Estas pérdidas ocurren a través de los límites del tubo o se deben a la disipación viscosa .
La combinación de las dos condiciones anteriores, y por simplicidad asumiendo aquí pequeñas fluctuaciones y un flujo no viscoso , conduce al criterio de Rayleigh extendido. Matemáticamente, este criterio viene dado por la siguiente desigualdad:
Aquí p 'representa fluctuaciones de presión, q' fluctuaciones de liberación de calor, fluctuaciones de velocidad, T es un intervalo de tiempo suficientemente largo, V denota volumen, S superficie y es una normal a los límites de la superficie. El lado izquierdo denota el acoplamiento entre las fluctuaciones de liberación de calor y las fluctuaciones de la presión acústica, y el lado derecho representa la pérdida de energía acústica en los límites del tubo.
Gráficamente, para una cámara de combustión en particular, el criterio de Rayleigh extendido se representa en la figura de la derecha en función de la frecuencia. El lado izquierdo de la desigualdad anterior se llama ganancias y el lado derecho pérdidas. Observe que hay una región donde las ganancias superan las pérdidas. En otras palabras, se satisface la desigualdad anterior. Además, tenga en cuenta que en esta región la respuesta de la cámara de combustión a las fluctuaciones acústicas alcanza su punto máximo. Por lo tanto, la probabilidad de una inestabilidad de combustión en esta región es alta, lo que la convierte en una región a evitar en el funcionamiento de la cámara de combustión. Esta representación gráfica de un combustor hipotético permite agrupar tres métodos para prevenir inestabilidades de combustión: [1] aumentar las pérdidas; reducir las ganancias; o alejar la respuesta máxima de la cámara de combustión de la región donde las ganancias superan las pérdidas.
Para aclarar aún más el papel del acoplamiento entre las fluctuaciones de liberación de calor y las fluctuaciones de presión en la producción y conducción de una inestabilidad, es útil hacer una comparación con el funcionamiento de un motor de combustión interna (ICE). En un ICE, se logra una mayor eficiencia térmica liberando el calor a través de la combustión a una presión más alta. Asimismo, se produce un impulso más fuerte de una inestabilidad de combustión cuando el calor se libera a una presión más alta. Pero mientras que la alta liberación de calor y la alta presión coinciden (aproximadamente) en toda la cámara de combustión en un ICE, coinciden en una región o regiones en particular durante una inestabilidad de combustión. Además, mientras que en un ICE la alta presión se logra mediante compresión mecánica con un pistón o un compresor , en una inestabilidad de combustión se forman regiones de alta presión cuando se forma una onda acústica estacionaria.
Los mecanismos físicos que producen las fluctuaciones de liberación de calor anteriores son numerosos. [1] [8] No obstante, se pueden dividir aproximadamente en tres grupos: fluctuaciones de liberación de calor debido a falta de homogeneidad de la mezcla; los debidos a inestabilidades hidrodinámicas; y los debidos a inestabilidades de combustión estática. Para visualizar las fluctuaciones de la liberación de calor debido a la falta de homogeneidad de la mezcla, considere una corriente pulsante de combustible gaseoso aguas arriba de un quemador. Una corriente pulsante de este tipo bien puede producirse mediante oscilaciones acústicas en la cámara de combustión que están acopladas con el sistema de alimentación de combustible. Son posibles muchas otras causas. El combustible se mezcla con el aire ambiente de manera que una mezcla no homogénea llega a la llama, por ejemplo, las gotas de combustible y aire que llegan a la llama podrían alternar entre rica y pobre. Como resultado, se producen fluctuaciones en la liberación de calor. Las fluctuaciones de liberación de calor producidas por inestabilidades hidrodinámicas ocurren, por ejemplo, en cámaras de combustión estabilizadas con cuerpo de farol cuando los vórtices interactúan con la llama (ver figura anterior). [12] Por último, las fluctuaciones en la liberación de calor debidas a inestabilidades estáticas están relacionadas con los mecanismos explicados en la siguiente sección.
Inestabilidad estática o soplado de llamas
La inestabilidad estática [2] o la extinción de la llama se refieren a fenómenos que implican la interacción entre la composición química de la mezcla de combustible y oxidante y el entorno de flujo de la llama. [13] Para explicar estos fenómenos, considere una llama que se estabiliza con un remolino, como en una cámara de combustión de turbina de gas , o con un cuerpo de farol . Además, digamos que la composición química y las condiciones de flujo son tales que la llama arde vigorosamente, y que la primera está determinada por la relación combustible-oxidante (ver relación aire-combustible ) y la segunda por la velocidad de avance. Para una velocidad de avance fija, la disminución de la relación combustible-oxidante hace que la llama cambie de forma, y al disminuirla aún más, la llama oscila o se mueve intermitentemente. En la práctica, estas son condiciones indeseables. Si se reduce aún más la relación combustible-oxidante, se apaga la llama. Esto es claramente una falla operativa. Para una relación de combustible-oxidante fija, el aumento de la velocidad de avance hace que la llama se comporte de manera similar a la que se acaba de describir.
Aunque los procesos que se acaban de describir se estudian con experimentos o con Dinámica de Fluidos Computacional , es instructivo explicarlos con un análisis más simple. En este análisis, la interacción de la llama con el entorno de flujo se modela como un reactor químico perfectamente mezclado . [14] Con este modelo, el parámetro rector es la relación entre una escala de tiempo de flujo (o tiempo de residencia en el reactor) y una escala de tiempo químico, y la clave observable es la temperatura máxima del reactor. La relación entre parámetro y observable viene dada por la denominada curva en forma de S (ver figura). Esta curva resulta de la solución de las ecuaciones que gobiernan el modelo del reactor. Tiene tres ramas: una rama superior en la que la llama arde vigorosamente, es decir, es "estable"; una rama intermedia en la que la llama es "inestable" (la probabilidad de que las soluciones de las ecuaciones del modelo de reactor estén en esta rama inestable es pequeña); y una rama inferior en la que no hay llama sino una mezcla fría de combustible-oxidante. La disminución de la relación combustible-oxidante o el aumento de la velocidad de avance mencionado anteriormente corresponden a una disminución de la relación del flujo y las escalas de tiempo químico. Esto a su vez corresponde a un movimiento hacia la izquierda en la curva en forma de S. De esta forma, una llama que arde vigorosamente está representada por la rama superior, y su soplado es el movimiento hacia la izquierda por esta rama hacia el punto de extinción Q. Una vez pasado este punto, la llama entra en la rama media, volviéndose así "inestable", o desaparece. Así es como este modelo simple captura cualitativamente el comportamiento más complejo explicado en el ejemplo anterior de un remolino o una llama estabilizada por el cuerpo de un farol.
Inestabilidades intrínsecas de la llama
En contraste con las inestabilidades de la combustión termoacústica, donde el papel de la acústica es dominante, las inestabilidades intrínsecas de la llama se refieren a las inestabilidades producidas por la difusión diferencial y preferencial, la expansión térmica, la flotabilidad y las pérdidas de calor. Ejemplos de estas inestabilidades incluyen la inestabilidad de Darrieus-Landau , la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y las inestabilidades de difusión térmica (ver Convección de difusión doble ).
Referencias
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