miniatura|Los diferentes tipos de llama de un mechero Bunsen dependen del suministro de oxígeno. A la izquierda, una mezcla rica en combustible sin oxígeno premezclado produce una llama de difusión amarilla y con hollín, y a la derecha, una llama pobre totalmente premezclada con oxígeno no produce hollín y el color de la llama se debe a la emisión de bandas de radicales moleculares.

Una llama premezclada es una llama que se forma en determinadas condiciones durante la combustión de una carga premezclada (también llamada premezcla) de combustible y oxidante. Dado que el combustible y el oxidante —los reactivos químicos clave de la combustión— están disponibles en toda una carga premezclada homogénea y estequiométrica, el proceso de combustión, una vez iniciado, se autoalimenta mediante su propia liberación de calor. La mayor parte de la transformación química en dicho proceso de combustión se produce principalmente en una delgada región interfacial que separa los gases no quemados de los quemados. La interfaz de la llama premezclada se propaga a través de la mezcla hasta que se agota toda la carga. La velocidad de propagación de una llama premezclada se conoce como velocidad de la llama (o velocidad de combustión), que depende del equilibrio entre convección, difusión y reacción dentro de la llama, es decir, de su estructura química interna. La llama premezclada se caracteriza como laminar o turbulenta dependiendo de la distribución de la velocidad en la premezcla no quemada (que proporciona el medio de propagación para la llama).

Propagación de la llama premezclada Laminar En condiciones controladas (normalmente en un laboratorio), una llama laminar puede formarse en una de las diversas configuraciones posibles. La estructura interna de una llama laminar premezclada se compone de capas en las que tienen lugar la descomposición, la reacción y la oxidación completa del combustible. Estos procesos químicos son mucho más rápidos que los procesos físicos, como el movimiento vorticial en el flujo, y, por lo tanto, la estructura interna de una llama laminar permanece intacta en la mayoría de los casos. Las capas constitutivas de la estructura interna corresponden a intervalos específicos en los que la temperatura aumenta desde la mezcla no quemada especificada hasta alcanzar la temperatura de llama adiabática (AFT). En presencia de transferencia de calor volumétrica y/o estiramiento aerodinámico, o bajo el desarrollo de inestabilidades intrínsecas de la llama, el alcance de la reacción y, por lo tanto, la temperatura alcanzada a lo largo de la llama pueden diferir de la AFT.

Velocidad de combustión laminar Para una química irreversible de un solo paso, es decir, , la llama plana y adiabática tiene una expresión explícita para la velocidad de combustión derivada de las asintóticas de la energía de activación cuando el número de Zeldovich. La velocidad de reacción (número de moles de combustible consumidas por unidad de volumen por unidad de tiempo) se considera de forma de Arrhenius,

donde es el factor preexponencial, ρ es la densidad, Y_F es la fracción másica del combustible, Y_{O_2} es la fracción másica del oxidante, es la energía de activación, es la constante universal de los gases, es la temperatura, y son los pesos moleculares del combustible y del oxidante, respectivamente, y son los órdenes de reacción. Si denotamos las condiciones de la mezcla no quemada, muy por delante de la llama, con el subíndice y, de forma similar, las condiciones del gas quemado con ; entonces, podemos definir una relación de equivalencia para la mezcla no quemada como

.

Entonces, la velocidad de combustión laminar plana para una mezcla rica en combustible (∅ > 1) viene dada porWilliams, F. A. (2018). Teoría de la combustión. CRC Press.Amable Liñan, y Williams, F. A. (1993). Aspectos fundamentales de la combustión.

donde

y . Aquí es la conductividad térmica, es el calor específico a presión constante y es el número de Lewis. De forma similar, se puede escribir la fórmula para mezclas pobres Este resultado fue obtenido por primera vez por T. Mitani en 1980.MITANI, T. (1980). Propagation velocities of two-reactant flames. Combustion Science and Technology, 21(3-4), 175-177. La corrección de segundo orden de esta fórmula, con propiedades de transporte más complejas, fue derivada por Forman A. Williams y sus colaboradores en los años 80.Rogg, B., & Williams, F. A. (1985). Asymptotic analysis of laminar flame propagation with variable transport coefficients. Combustion science and technology, 42(5-6), 301-316.Chelliah, H. K., & Williams, F. A. (1987). Asymptotic analysis of two-reactant flames with variable properties and Stefan-Maxwell transport. Combustion science and technology, 51(4-6), 129-144.Rogg, B. (1986). On the accuracy of asymptotic flame speed predictions for two-reactant flames. Combustion science and technology, 45(5-6), 317-329.

Las variaciones en la velocidad de propagación local de una llama laminar se deben a lo que se denomina estiramiento de la llama. El estiramiento de la llama puede producirse debido a la tensión ejercida por el campo de velocidad del flujo exterior o a la curvatura de la llama; la diferencia en la velocidad de propagación respecto a la velocidad laminar correspondiente es una función de estos efectos y puede expresarse como:Clavin, P., & Graña-Otero, J. C. (2011). Llamas curvadas y estiradas: los dos números de Markstein. Journal of Fluid Mechanics, 686, 187-217.Clavin, Paul, y Geoff Searby. Ondas y frentes de combustión en flujos: llamas, choques, detonaciones, frentes de ablación y explosión de estrellas. Cambridge University Press, 2016.

donde es la normal unitaria a la superficie de la llama (que apunta hacia el lado del gas quemado), es el campo de velocidad del flujo evaluado en la superficie de la llama y es la divergencia superficial de la velocidad tangencial ; siendo el flujo incompresible fuera de la llama, . Además, y son los dos números de Markstein, asociados a la curvatura y a la deformación tangencial.

Turbulenta En situaciones prácticas, la turbulencia es inevitable y, en condiciones moderadas, favorece el proceso de combustión premezclada, ya que mejora la mezcla entre el combustible y el oxidante. Si la carga premezclada de gases no está homogéneamente mezclada, las variaciones en la relación de equivalencia pueden afectar a la velocidad de propagación de la llama. En algunos casos, esto es deseable, como en la combustión estratificada de combustibles mezclados.

Se puede suponer que una llama premezclada turbulenta se propaga como una superficie compuesta por un conjunto de llamas laminares, siempre y cuando los procesos que determinan la estructura interna de la llama no se vean afectados. En tales condiciones, la superficie de la llama se arruga debido al movimiento turbulento de los gases premezclados, lo que aumenta la superficie de la llama. El proceso de arrugamiento aumenta la velocidad de combustión de la llama premezclada turbulenta en comparación con su homóloga laminar.

La propagación de dicha llama premezclada puede analizarse utilizando la ecuación de campo denominada ecuación GWilliams, F. A. (1985). Combustión turbulenta. En Las matemáticas de la combustión (pp. 97-131). Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas.

, que se define de tal manera que los conjuntos de nivel de G representan las diversas interfaces dentro de la llama premezclada que se propagan con una velocidad local . Sin embargo, esto no suele ser así, ya que la velocidad de propagación de la interfaz (respecto a la mezcla sin quemar) varía de un punto a otro debido al estiramiento aerodinámico inducido por los gradientes en el campo de velocidad.

En condiciones contrarias, sin embargo, la estructura interna de la llama premezclada puede verse totalmente alterada, provocando que la llama se extinga ya sea localmente (lo que se conoce como extinción local) o globalmente (lo que se conoce como extinción global o apagado). Estos casos opuestos rigen el funcionamiento de dispositivos de combustión prácticos, como los motores de encendido por chispa (SI), así como los postquemadores de motores aeronáuticos. La predicción del grado en que la estructura interna de la llama se ve afectada en un flujo turbulento es un tema de amplia investigación.

Configuración de la llama premezclada La configuración del flujo de los gases premezclados influye en la estabilización y en las características de combustión de la

Llama de Bunsen En una llama de Bunsen, se proporciona un caudal constante que coincide con la velocidad de la llama para estabilizarla. Si el caudal es inferior a la velocidad de la llama, esta se desplazará hacia arriba hasta que se agote el combustible o hasta que encuentre un soporte de llama. Si el caudal es igual a la velocidad de la llama, cabría esperar un frente de llama plano y estacionario, perpendicular a la dirección del flujo. Si el caudal es superior a la velocidad de la llama, el frente de llama se volverá cónico, de modo que la componente del vector de velocidad perpendicular al frente de llama sea igual a la velocidad de la llama.

Llama de estancamiento En este caso, los gases premezclados fluyen de tal manera que forman una región de estancamiento (velocidad cero) donde la llama puede estabilizarse.

Llama esférica En esta configuración, la llama se inicia típicamente mediante una chispa dentro de una premezcla homogénea. La propagación posterior de la llama premezclada desarrollada se produce como un frente esférico hasta que la mezcla se transforma por completo o se alcanzan las paredes del recipiente de combustión. Aplicaciones Dado que es posible controlar la relación de equivalencia de los gases premezclados, la combustión premezclada ofrece un medio para alcanzar bajas temperaturas y, por lo tanto, reducir las emisiones de NOx. Gracias a una mejor mezcla en comparación con las llamas de difusión, también se mitiga la formación de hollín. Por ello, la combustión premezclada ha cobrado importancia en los últimos tiempos. Entre sus aplicaciones se encuentran las turbinas de gas de mezcla pobre premezclada y prevaporizada (LPP) y los motores SI. Véase también Oxicombustión

Referencias

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