Thesis:

Modelado directo de la radiación térmica en llamas a partir de imágenes infrarrojas multiespectrales: Aplicación a llamas axisimétricas de etileno y combustión de PMMA.

La contaminación atmosférica por hollín constituye un desafío crítico de salud pública y ambiental, evidenciando la urgencia de metodologías precisas para su caracterización. Sin embargo, cuantificar hollín en procesos de combustión enfrenta desafíos técnicos fundamentales: la radiación térmica de llamas con alto contenido de hollín resulta de la superposición compleja entre bandas espectrales discretas de gases de combustión y la emisión continua de hollín, dificultando la identificación individual de cada contribuyente mediante métodos convencionales. Este trabajo desarrolla y valida experimentalmente una metodología de modelado directo de transferencia radiativa espectralmente resuelta usando un enfoque Line-by-Line de alta resolución para gases, un modelo para hollín en régimen de Rayleigh, y solución numérica de la ecuación de transferencia radiativa en geometría axisimétrica para sintetizar imágenes infrarrojas multiespectrales comparables con mediciones de una cámara Telops MS-M1K. La validación experimental en llamas de difusión laminares axisimétricas (Yale 60 y Yale 80) demuestra reproducción cuantitativa de mediciones experimentales con errores relativos entre 16-67 % dependiendo del filtro y llama. El análisis de descomposición espectral revela que la separabilidad entre contribuciones de gas y hollín depende críticamente de la selección del filtro y contenido de hollín, identificando F6 como una banda casi pura de CO2, F7 y F8 como bandas sensibles a hollín-H2O y F5 como una banda mixta de todas las especies. El análisis de sensibilidad mediante elasticidades cuantifica cómo la temperatura emerge como la variable dominante universal, permitiendo proponer una estrategia de inversión secuencial que maximiza la separabilidad espectral. La aplicación a combustión de polimetilmetacrilato (PMMA) demuestra la aplicabilidad de la metodología a configuraciones complejas. Este trabajo establece un protocolo sistemático para la síntesis y validación de imágenes multiespectrales sintéticas en llamas con alto hollín, proporcionando herramientas metodológicas para monitoreo de emisiones, optimización de combustión, caracterización de incendios y desarrollo de diagnóstico óptico no intrusivo.

Atmospheric soot pollution constitutes a critical public health and environmental challenge in Chile, evidencing the urgency for accurate soot characterization methodologies. However, quantifying soot in combustion processes faces fundamental technical challenges: thermal radiation from high-soot flames results from a complex superposition between discrete spectral bands of combustion gases and continuous soot emission, hindering individual contributor identification through conventional infrared thermography. This work develops and experimentally validates a spectrally resolved direct radiative transfer modeling methodology using a high-resolution Line-by-Line model for gases, the Chang-Charalampopoulos model for soot in the Rayleigh regime, and numerical solution of the radiative transfer equation in axisymmetric geometry to synthesize multispectral infrared images comparable with Telops MS-M1K camera measurements. Experimental validation on axisymmetric laminar diffusion flames (Yale 60 and Yale 80) demonstrates quantitative reproduction of experimental measurements with relative errors between 16–67%, depending on filter and flame. Spectral decomposition analysis reveals that separability between gas and soot contributions critically depends on filter selection and soot content, identifying F6 as an almost pure CO₂ band, F7 and F8 as soot–H₂O-sensitive bands, and F5 as a mixed band of every species. Sensitivity analysis through elasticities quantifies how temperature emerges as the universal dominant variable, enabling the proposal of a sequential inversion strategy that maximizes spectral separability. Application to polymethylmethacrylate (PMMA) combustion demonstrates methodology applicability to complex configurations. This work establishes for the first time a systematic protocol for the synthesis and validation of synthetic multispectral images in high-soot flames, providing methodological tools for industrial emissions monitoring, combustion optimization, fire characterization and non-intrusive optical diagnostics development.