Thesis:

Análisis espectral de llamas laminares mediante detección infrarroja de la radiación emitida por gases de combustión y hollín

La caracterización detallada de los procesos de combustión es clave para optimizar la eficiencia energética y comprender la formación de emisiones; en llamas de difusión de etileno, la radiación constituye el mecanismo de transferencia de calor predominante y, al mismo tiempo, aporta información diagnóstica sobre la estructura térmica y química del sistema, no obstante, su diagnóstico cuantitativo es desafiante, ya que la señal medida combina la emisión continua del hollín con la emisión espectral selectiva de gases como CO₂ y H₂O; para abordar este problema, este trabajo propone una metodología de diagnóstico óptico que integra termografía infrarroja multiespectral con un modelo de transferencia radiativa hacia adelante (forward) de alta resolución, validada mediante el estudio de dos escenarios opuestos: la llama Yale 32, de baja carga de hollín, y la llama Yale 80, de alta carga de hollín; en particular, se incorpora explícitamente la autoabsorción mediante un enfoque línea por línea (LBL), lo que permite representar la atenuación de la radiación emitida en el núcleo al propagarse a través del propio medio antes de alcanzar el sensor, entregando una base radiativa físicamente consistente para el proceso de inversión; finalmente, la intensidad resultante se combina con las funciones de respuesta de los filtros de la cámara para generar imágenes sintéticas, permitiendo una validación directa frente a los datos experimentales; los resultados demuestran que las imágenes sintéticas reproducen la morfología observada y la ubicación de los máximos de intensidad en todos los canales, el análisis de sensibilidad espectral confirma que la temperatura (T) es el factor más influyente sobre la radiancia en todas las bandas, mientras que la contribución del hollín (fv) incrementa su dominancia hacia longitudes de onda más largas y bajo condiciones de alta carga de hollín; un hallazgo clave es la capacidad de distinguir la firma espectral de las especies mediante la selectividad de los filtros: se observó predominio de CO₂ en los canales 1 y 2, lo que favorece su detección y monitoreo en esos rangos, en contraste, el H₂O se manifiesta de forma más tenue a lo largo del espectro, con mayor incidencia en los filtros 1 y 4, mientras que el hollín domina en los filtros 3 y 4; a partir de estas observaciones, se concluye que la metodología logra un desacoplamiento efectivo de señales radiativas y que la integración entre el modelado físico y las características específicas de la cámara habilita un diagnóstico térmico y químico robusto, en particular, se obtiene consistencia entre los campos simulados de T, CO₂, H₂O y fv, identificando a T como el principal determinante de la radiancia y al hollín como un contribuyente de importancia creciente a longitudes de onda más largas y para altas concentraciones; asimismo, la diferenciación del rol de cada canal sustenta una estrategia de inversión escalonada: primero estimar los parámetros dominantes (T y fv) y posteriormente refinar las fracciones molares gaseosas; si bien el estudio reconoce limitaciones asociadas a las constantes ópticas, los resultados posicionan esta metodología como una herramienta viable para diagnósticos en escenarios industriales complejos y, como proyección, se propone abordar el problema inverso para desagregar cuantitativamente la contribución de las especies directamente desde la imagen experimental y extender este marco metodológico a sistemas de combustión de mayor complejidad.

The detailed characterization of combustion processes is key to optimizing energy efficiency and understanding emission formation; in ethylene diffusion flames, radiation constitutes the predominant heat transfer mechanism and simultaneously provides diagnostic information about the system’s thermal and chemical structure, however, its quantitative diagnosis is challenging, as the measured signal combines the continuous emission of soot with the selective spectral emission of gases such as CO₂ and H₂O; to address this problem, this work proposes an optical diagnostic methodology that integrates multispectral infrared thermography with a high‑resolution forward radiative transfer model, validated through the study of two opposite scenarios: the Yale 32 flame, with low soot loading, and the Yale 80 flame, with high soot loading; in particular, self‑absorption is explicitly incorporated through a line‑by‑line (LBL) approach, which enables representing the attenuation of radiation emitted in the core as it propagates through the medium itself before reaching the sensor, providing a physically consistent radiative basis for the inversion process; finally, the resulting intensity is combined with the camera filter response functions to generate synthetic images, enabling direct validation against experimental data; the results show that the synthetic images reproduce the observed morphology and the location of intensity maxima across all channels, the spectral sensitivity analysis confirms that temperature (T) is the most influential factor on radiance in all bands, while the contribution of soot (fv) increases its dominance toward longer wavelengths and under high‑soot‑loading conditions; a key finding is the ability to distinguish the spectral signature of species through filter selectivity: predominance of CO₂ was observed in channels 1 and 2, favoring its detection and monitoring in those ranges, in contrast, H₂O appears more weakly throughout the spectrum, with greater incidence in filters 1 and 4, while soot dominates filters 3 and 4; based on these observations, it is concluded that the methodology achieves effective decoupling of radiative signals and that the integration between physical modeling and the specific characteristics of the camera enables robust thermal and chemical diagnostics, in particular, consistency is obtained among the simulated fields of T, CO₂, H₂O and fv, identifying T as the main determinant of radiance and soot as a contributor of increasing importance at longer wavelengths and higher concentrations; likewise, the differentiation of the role of each channel supports a staged inversion strategy: first estimating the dominant parameters (T and fv) and subsequently refining the gaseous molar fractions; although the study acknowledges limitations associated with optical constants, the results position this methodology as a viable tool for diagnostics in complex industrial scenarios and, as a projection, it is proposed to address the inverse problem to quantitatively disaggregate the contribution of species directly from the experimental image and to extend this methodological framework to combustion systems of greater complexity.