En una serie de artículos publicados en los últimos años, el Dr. Hernán Olguín presentó una nueva teoría generalizada que permitirá el estudio de llamas parcialmente premezcladas, las cuales son clave para el desarrollo de tecnologías de combustión alternativas.
Tras una exhaustiva búsqueda de una nueva teoría de la combustión capaz de describir procesos existentes en tecnologías de punta que persiguen la reducción de emisiones contaminantes y una mayor eficiencia, el académico del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María, Dr. Hernán Olguín, junto a investigadores de Alemania y Francia, desarrollaron un innovador paradigma que extiende la Teoría Clásica de Flamelets.
En el contexto, describir matemáticamente la estructura interna de una llama requiere la consideración de varios fenómenos físicos y químicos de alta complejidad, los cuales pueden interactuar entre sí de manera no lineal, es decir, de formas muy diversas y difíciles de predecir. Esto incluye la dinámica de fluidos, la turbulencia, termodinámica, transferencia de calor, flujos multi-fásicos, cinética química, por nombrar algunos.
En este marco, y durante los últimos 50 años, la Teoría de Flamelets se ha establecido como uno de los paradigmas más populares para el estudio de la combustión. Según esta teoría, una llama compleja puede ser descrita como un conjunto de estructuras más sencillas, llamadas flamelets. “Uno puede imaginarse un flamelet como una cuerda muy fina, que puede estirarse, curvarse e interactuar con el flujo”, explica el Dr. Olguín, quien obtuvo su Doctorado en la Facultad Combinada de Ciencias Naturales y Matemáticas de la Universidad de Heidelberg, en Alemania, graduándose con la máxima distinción y obteniendo el premio de excelencia “Dr. Sophie-Bernthsen” en reconocimiento a un rendimiento excepcional durante sus estudios.
La formalización del concepto de flamelet permite la derivación de ecuaciones especializadas capaces de capturar todos los detalles de lo que ocurre dentro de una llama, cuya forma matemática exacta depende del tipo de régimen en el cual un proceso de combustión tiene lugar: premezclado o no-premezclado. En el primero, el combustible y el oxidante se mezclan de manera previa a su inyección en la cámara de combustión, mientras que, en el segundo, ambos se inyectan de forma separada. “Como consecuencia de las importantes diferencias fundamentales que presentan estos regímenes clásicos, dos teorías de flamelets independientes han sido desarrolladas para su descripción. Estas han alcanzado un importante grado de madurez y son ampliamente utilizadas en la actualidad para la simulación de equipos de combustión convencionales”, señala el académico.
Necesidad de nuevas formulaciones
A pesar del éxito histórico de las teorías de flamelets no-premezclados y premezclados, numerosas tecnologías de combustión propuestas recientemente, especialmente diseñadas para la reducción de emisiones contaminantes y para el aumento de la eficiencia de estos procesos, operan en regímenes intermedios que combinan características de ambos, los que son denominados regímenes parcialmente premezclados. En este tipo de situaciones, ambas teorías clásicas fallan, ya que “las estructuras de flamelet dejan de comportarse como cuerdas (unidimensionales), y se vuelve necesaria la consideración de dimensiones adicionales”, cuenta el Dr. Olguín. Así, durante los últimos 20 años, los científicos del área se han volcado a la búsqueda de una nueva teoría unificada que combine las formulaciones premezcladas y no premezcladas. Esto, sin embargo, no ha resultado una tarea fácil.
“El principal problema es que la aplicación del paradigma de flamelets clásico a llamas parcialmente premezcladas lleva inevitablemente a un set de ecuaciones incompleto (más incógnitas que ecuaciones), considerablemente más complejo de manipular e interpretar que las teorías clásicas y, lo que es peor, no directamente compatible con estas”, comenta el Dr. Olguín, agregando que “Simplemente, el paradigma clásico no parece ser el más apropiado para el desarrollo de una teoría generalizada para llamas parcialmente premezcladas”.
Introduciendo un nuevo paradigma
En una serie de artículos publicados como autor principal en las revistas más importantes del área a nivel mundial, el Dr. Hernán Olguín, en conjunto con colegas de Alemania y Francia, ha desarrollado un nuevo paradigma para la teoría de flamelets, el cual interpreta estas estructuras no como cuerdas, sino que como conjuntos de partículas. “Este cambio ha permitido obtener las ecuaciones que faltaban para completar la teoría de flamelets parcialmente premezclados”, precisa el académico.
“Interesantemente, con el nuevo paradigma también logramos resolver el problema de la compatibilidad entre teorías, ya que, en los límites asintóticos de combustión no-premezclada y premezclada, las partículas de flamelet se comportan colectivamente de la misma forma que las cuerdas utilizadas en el paradigma clásico”. Así, las ecuaciones de flamelet unidimensionales pueden recuperarse sin problemas desde la nueva formulación bidimensional para llamas parcialmente premezcladas. Esta equivalencia asintótica ha permitido también clarificar muchos aspectos de la teoría clásica que no habían sido entendidos previamente.
Cabe señalar que, desde el punto de vista práctico, “la principal aplicación de la teoría desarrollada es la simulación de llamas turbulentas parcialmente premezcladas, cuya adecuada comprensión es vital para el desarrollo de futuras tecnologías de combustión”, concluye el Dr. Olguín.