Numerical and asymptotic analyses of lean hydrogen-air deflagrations

Numerical and asymptotic methods are used to address the structure and burning rate of lean hydrogen-air deflagrations with detailed account of the underlying chemical reactions involved. Although most computations are performed for atmospheric normal values of the pressure and initial temperature, subatmospheric and elevated pressures as well as cryogenic and preheated mixtures are also considered. The whole range of compositions ranging from the lean flammability limit to stoichiometric mixtures has been investigated, with particular attention given to near-limit lean flames. The chemistry description is investigated first. A short mechanism consisting of seven elementary reactions, of which only three are reversible, is shown to provide good predictions of hydrogen-air lean-flame burning velocities. It is also demonstrated that adding only two irreversible direct recombination steps to the seven-step mechanism accurately reproduces burning velocities of the full detailed mechanism for all equivalence ratios at normal atmospheric conditions and that an eight-step detailed mechanism, constructed from the seven-step mechanism by adding to it the fourth reversible shuffle reaction, improves predictions of O and OH profiles. For conditions near the lean flammability limit all reaction intermediaries have small concentrations in the important thin reaction zone that controls the hydrogen-air laminar burning velocity and therefore follow a steady state approximation, while the main species react according to the global irreversible reaction 2H2 + O2 !2H2O. An explicit expression for the non-Arrhenius rate of this one-step overall reaction for hydrogen oxidation is derived from the seven-step detailed mechanism, for application near the flammability limit. The one-step results are used to calculate flammability limits and burning velocities of planar deflagrations. Furthermore, implications concerning radical profiles in the deflagration and reasons for the success of the approximations are clarified. The new reduced-chemistry descriptions can be useful for both analytical and computational studies of lean hydrogen-air flames, decreasing required computation times. The inner structure of the thin reactive layer of hydrogen-air fuel-lean deflagrations close to the flammability limit is investigated next. The analysis, which employes seven elementary reactions for the chemistry description, uses the ratio of the characteristic radical and fuel concentrations as a small asymptotic parameter, enabling an accurate analytic expression for the resulting burning rate to be derived. The analysis reveals that the steady-state assumption for chemical intermediaries, applicable on the hot side of the reactive layer, fails, however, as the crossover temperature is approached, providing a nonnegligible higher-order correction to the burning rate. The results can be useful, for instance, in future investigations of hydrogen deflagration instabilities near the lean flammability limit. Finally, conditions away from the flammability limit, including moderately lean and stoichiometric flames, are explored. Under these conditions, the steady-state assumption for H atoms is seen to fail, and the one-step mechanism for hydrogen oxidation must be replaced with a two-step reduced mechanism comprising a thermally sensitive branching reaction 3H2 + O2 ­2H2O + 2H and an exothermic recombination reaction H + H ! H2. It is seen that the activation temperature of the branching step is sufficiently large that branching occurs in a relatively thin layer at a temperature slightly above the crossover value, whereas radical recombination occurs in a distributed manner both upstream and downstream from this layer, yielding a flame structure that in many aspects resembles that found by Zel’dovich in his analysis of branched-chain flames with model chemistry. The leading-order solution of the resulting problem determines the flame propagation velocity. The solution involves the numerical integration of the conservation equations in the recombination regions with appropriate jump conditions imposed at the branching sheet, whose temperature is obtained by the analysis of the branching layer. The results compare reasonably well with those of detailed-chemistry computations for varying conditions of composition, pressure and initial temperature. __________________________________________________En esta tesis se aborda el estudio teórico de deflagraciones pobres en mezclas de hidrógeno y aire mediante el uso combinado de métodos numéricos y asintóticos, que, a partir de una descripción detallada de las reacciones químicas implicadas, permiten clarificar la estructura interna de las llamas y proporcionan expresiones simplificadas para el ritmo de reacción. Aunque la mayoría de los cálculos se han realizado con valores atmosféricos normales de presión y temperatura inicial, se han considerado otros valores, incluyendo mezclas precalentadas y precomprimidas, así como condiciones de presión subatmosférica y mezclas criogénicas. El rango de dosados investigado va desde el límite pobre de inflamabilidad hasta condiciones estequiométricas, aunque se ha profundizado especialmente en el estudio de llamas cerca del límite de inflamabilidad. En primer lugar, se considera la descripción de la química. Partiendo de un mecanismo detallado de veintiuna reacciones elementales reversibles se busca el mínimo conjunto de reacciones elementales capaces de describir con precisión las llamas premezcladas de hidrógeno. Se demuestra que un mecanismo corto de siete reacciones elementales, de las que sólo tres de ellas son reversibles, proporciona una buena predicción para la velocidad de propagación de las llamas cuando el dosado es suficientemente pequeño. Se demuestra, además, que añadiendo dos reacciones de recombinación irreversibles al mecanismo de siete pasos se consigue extender la precisión del mecanismo para cubrir el rango completo de condiciones de inflamabilidad en condiciones atmosféricas normales. Los cálculos indican también que un mecanismo corto de ocho pasos, construido a partir del mecanismo corto de siete pasos mediante la adición de la cuarta reacción de intercambio de radicales, mejora las predicciones para los perfiles de O y OH. Seguidamente, se estudia la propagación de deflagraciones de hidrógeno en condiciones cercanas al límite de inflamabilidad partiendo del mecanismo de siete reacciones elementales. La capa de reacción que controla la velocidad de propagación laminar resulta ser muy delgada y contiene concentraciones muy pequeñas de todas las especies intermedias, de forma que todas ellas se encuentran en estado estacionario, mientras que las especies principales reaccionan según la reacción global irreversible 2H2 + O2 !2H2O. El análisis proporciona una expresión explícita de tipo no-Arrhenius para el ritmo de esta reacción global. Este mecanismo reducido de un paso permite en particular el cálculo de los límites de inflamabilidad y de la velocidad de propagación para deflagraciones pobres planas. El estudio incluye un repaso de las implicaciones que los perfiles de radicales tienen en la deflagración, junto con las razones que permiten que las aproximaciones funcionen. El nuevo mecanismo reducido desarrollado en este capítulo de la tesis puede ser de utilidad en posteriores estudios analíticos y permite su fácil implementación en códigos computacionales para el cálculo de llamas pobres de hidrógeno, disminuyendo los costes de cálculo. Se estudia a continuación la estructura interna de la capa delgada de reacción de las deflagraciones pobres en mezclas de hidrógeno y aire próximas al límite de inflamabilidad. En el análisis, que emplea siete reacciones elementales para la descripción de la química, se usa el cociente entre las concentraciones de H, que es el radical dominante, y del combustible como parámetro asintótico pequeño, lo que permite obtener una descripción analítica precisa del ritmo de combustión. El análisis revela que la hipótesis de estado estacionario para las especies intermedias, que resulta apropiada en el lado caliente de la capa reactiva, falla, sin embargo, conforme nos acercamos a la temperatura de cruce, donde existe una capa interna delgada en la que el término de transporte difusivo de los radicales es comparable a los de producción y consumo asociados a la química. El análisis de esta región proporciona una corrección relativamente importante al ritmo de combustión. Los resultados obtenidos son útiles, por ejemplo, para la futura investigación de inestabilidades de llamas en mezclas pobres de hidrógeno. Finalmente, el estudio se centra en llamas pobres relativamente lejos del límite de inflamabilidad. Bajo estas condiciones, la hipótesis de estado estacionario para el radical H falla y el mecanismo de un paso para la oxidación del hidrógeno debe ser sustituido por un mecanismo reducido de dos pasos, que incluye una reacción de ramificación con una fuerte dependencia con la temperatura 3H2 + O2 ­ 2H2O + 2H y una reacción exotérmica de recombinación H + H ! H2. Se observa que la temperatura de activación de la reacción de ramificación es lo suficientemente grande como para considerar que la producción de radicales ocurre en una capa relativamente delgada a una temperatura ligeramente por encima de la temperatura de cruce (definida como la temperatura a la que el ritmo de ambas reacciones se iguala), mientras que la recombinación de radicales ocurre de forma distribuida aguas arriba y aguas abajo de esta capa delgada en regiones de espesor comparable al de la llama. La estructura resultante se parece en muchos aspectos a la que encontró Zel’dovich en su análisis de llamas dominadas por reacciones de ramificación, basado en una descripción modelo de dos etapas para la química. El problema que determina la velocidad de propagación de la llama se reduce en primera aproximación a la integración numérica de las ecuaciones de conservación en la regiones exteriores de recombinación, con condiciones de contorno que incluyen condiciones de salto a través de la capa interna de ramificación, que se se encuentra a una temperatura que se determina a partir del análisis de su estructura interna. La solución que se obtiene de este análisis tipo Zeldovich se compara con cálculos numéricos del problema inicial completo, dando resultados satisfactorios en un amplio rango de condiciones de composición, presión y temperatura inicial

Numerical study of the propagation of lean hydrogen-air flames in Hele-Shaw cells

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Legitimacy of the narrow-channel approximation for the study of flames propagating between two closely-spaced parallel plates

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The differential diffusion effect of the intermediate species on the stability of premixed flames propagating in microchannels

The propagation of premixed flames in adiabatic and non-catalytic planar microchannels subject to an assisted or opposed Poiseuille flow is considered. The diffusive-thermal model and the well-known two-step chain-branching kinetics are used in order to investigate the role of the differential diffusion of the intermediate species on the spatial and temporal flame stability. This numerical study successfully compares steady-state and time-dependent computations to the linear stability analysis of the problem. Results show that for fuel Lewis numbers less than unity, LeF 1, flames propagating in adiabatic channels suffer from oscillatory instabilities. The Poiseuille flow stabilises the flame and the effect of LeZ is opposite to that found for LeF < 1. Small values of LeZ further destabilise the flame to oscillating or pulsating instabilities.This research was supported by the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) [Projects #ENE2011-27686-C02-01, #ENE2012-33213]; the Comunidad de Madrid [Project #S2009/ENE-1597, CONSOLIDER CSD2010-00011].Publicad

One-step reduced kinetics for lean hydrogen–air deflagration

A short mechanism consisting of seven elementary reactions, of which only three are reversible, is shown to provide good predictions of hydrogen–air lean-flame burning velocities. This mechanism is further simplified by noting that over a range of conditions of practical interest, near the lean flammability limit all reaction intermediaries have small concentrations in the important thin reaction zone that controls the hydrogen–air laminar burning velocity and therefore follow a steady state approximation, while the main species react according to the global irreversible reaction 2H2 + O2 → 2H2O. An explicit expression for the non-Arrhenius rate of this one-step overall reaction for hydrogen oxidation is derived from the seven-step detailed mechanism, for application near the flammability limit. The one-step results are used to calculate flammability limits and burning velocities of planar deflagrations. Furthermore, implications concerning radical profiles in the deflagration and reasons for the success of the approximations are clarified. It is also demonstrated that adding only two irreversible direct recombination steps to the seven-step mechanism accurately reproduces burning velocities of the full detailed mechanism for all equivalence ratios at normal atmospheric conditions and that an eight-step detailed mechanism, constructed from the seven-step mechanism by adding to it the fourth reversible shuffle reaction, improves predictions of O and OH profiles. The new reduced-chemistry descriptions can be useful for both analytical and computational studies of lean hydrogen–air flames, decreasing required computation times

Glosario de términos extraídos de la exposición virtual "La luz de las niñas" de la fundación Entreculturas.

Creación de glosario de lectura fácil sobre conceptos surgidos en los vídeos de la Exposición "La Luz de las niñas" de La Fundación Entreculturas con apoyo de imágenes

FREEZE SENSE : sensor IoT para monitorizar la cadena de frío en el transporte y almacenamiento de alimentos

Mantener y asegurar la cadena del frío en el transporte de alimentos perecederos es uno de los aspectos más importantes que deben tener en cuenta las empresas de logística y cadenas de venta al consumidor. Con el control de la cadena del frío se puede asegurar tanto unos mínimos de calidad como de seguridad del producto en cuestión. Para asegurar el cumplimiento de la cadena de frío en el transporte de alimentos (o medicamentos) existen actualmente multitud de sistemas o dispositivos en el mercado que pueden cumplir perfectamente ese papel. Algunos de ellos son sistemas que únicamente informan al operario en destino si se ha producido una ruptura de la cadena del frío sirviendo como control de calidad previo a la venta de los alimentos, pero por el contrario otros sistemas sí que realizan un control exhaustivo de la cadena de frío en tiempo real dando una mayor capacidad de reacción a la empresa logística o cadena de venta para subsanar cuanto antes esa ruptura en la cadena del frío. Es este tipo de sistemas en el que se va a basar este proyecto. Por ello con la ayuda de la arquitectura IoT se mejorarán las principales ventajas que tienen este tipo de sistemas (funcionalidad) y disminuirán o incluso eliminarán las desventajas que tienen este tipo de sistemas, principalmente coste (objetivo más importante del proyecto) y dificultad de instalación

The role of conductive heat losses on the formation of isolated flame cells in Hele-Shaw chambers

The propagation of low-Lewis-number premixed flames is analyzed in a partially confined Hele-Shaw chamber formed by two parallel plates separated a distance h apart. An asymptotic-numerical study can be performed for small gaps compared to the flame thickness deltaT . In this narrow-channel limit, the prob- lem formulation simplifies to a quasi-2D description in which the velocity field is controlled by domi- nant viscous effects. After accounting for conductive heat losses through the plates in our formulation, we found that the reaction front breaks into one or several isolated flame cells where the temperature is large enough to sustain the reaction, both in absence and in presence of buoyancy effects. Under these near-limit conditions, the isolated flame cells either travel steadily or undergo a slow random walk over the chamber in which the reacting front splits successively to form a tree-like pathway, burning only a small fraction of the fuel before reaching the end of the chamber. The production of quasi-2D circular or comet-like flames under specific favorable conditions is demonstrated in this paper, with convection, conductive heat losses and differential diffusion playing an essential role in the formation of the isolated one and two-headed flame cells.This work was supported by the project ENE2015-65852-C2-1-R (FV,MSS,DMR) and ENE2015-65852-C2-2-R (DFG,VK) (MINECO/FEDER, UE). Daniel Martínez-Ruiz would like to thank Amable Liñán for fruitful discussions

Selective Extraction of Bioactive Phenylethanoids from Digitalis obscura

Cardenolide-free extracts from Digitalis obscura showed significant antifeedant effects against the aphid Myzus persicae and this activity correlated with their phenylethanoid content. The content in phenylethanoids of Digitalis obscura has been studied. Maceration of the aerial parts of D. obscura was used for the selective extraction of the natural compound rengyolone (1) and the aglycone of cornoside (compound 3). Pure rengyolone (1) can be obtained from D. obscura in approximately 90% purity from fresh plant from the CHCl3 soluble fraction of the ethanolic extract (0.8% yield). The ethanol extraction of freshly collected D. obscura showed the presence of compound 3 as the only phenylethanoid. Compound 3 was proven to easily evolve to rengyolone. Due to this instability, and although its presence in plants has been previously reported, the spectroscopical data of 3 are reported herein for the first time. Selective mono-acetylation of compound of 3 led to the active natural compound hallerone (5). The aphid antifeedant (against Myzus persicae) and nematicidal (against root-knot nematode Meloidogyne javanica) activities of these compounds have been evaluated. Here we report for the first time on the aphid antifeedant effects of 1, 3, and 5. Additionally, the nematicidal activity of hallerone (5) is described here for the first time.MINISTERIO DE ECONOMÍA Y COMPETITIVIDADPID2019-106222RB-C32/SRA (State Research Agency, 10.13039/501100011033)PID2019- 106222RB-C31/SRA (State Research Agency, 10.13039/501100011033)ERASMUS + N◦2018-1-FR01- KA202-047892 Biocontrol E Training (BET)Unidad Asociada UGR-CSIC Bioplaguicidas: Biotecnología, síntesis y diversidad químic

Characterization of Salinivibrio socompensis sp. nov., A new halophilic bacterium isolated from the high-altitude hypersaline lake Socompa, Argentina

The genus Salinivibrio belongs to the family Vibrionaceae and includes Gram-stain-negative, motile by a polar flagellum, and facultatively anaerobic curved rods. They are halophilic bacteria commonly found in hypersaline aquatic habitats and salted foods. This genus includes five species and two subspecies. A presumed novel species, strain S35T, was previously isolated from the high-altitude volcanic, alkaline, and saline lake Socompa (Argentinean Andes). In this study we carried out a complete taxonomic characterization of strain S35T, including the 16S rRNA gene sequence and core-genome analysis, the average nucleotide identity (ANIb, ANIm, and orthoANI), and in silico DNA?DNA hybridization (GGDC), as well as the phenotypic and chemotaxonomic characterization. It grew at 3%?20% (w/v) NaCl, pH 6?10, and 10?42 °C, with optimum growth at 7.0%?7.5% (w/v) NaCl, pH 8.0, and 37 °C, respectively. Strain S35T was oxidase- and catalase-positive, able to produce acid from D-glucose and other carbohydrates. Hydrolysis of DNA, methyl red test, and nitrate and nitrite reduction were positive. Its main fatty acids were C16:0, C16:1 ω7c and C16:1 ω6c, and C18:1 ω7c and/or C18:1 ω6c. ANI, GGDC, and core-genome analysis determined that strain S35T constitutes a novel species of the genus Salinivibrio, for which the name Salinivibrio socompensis sp. nov. is proposed. The type strain is S35T (= CECT 9634T = BNM 0535T)Fil: Galisteo, Cristina. Universidad de Sevilla; EspañaFil: Sánchez Porro,Cristina. Universidad de Sevilla; EspañaFil: de la Haba, Rafael R.. Universidad de Sevilla; EspañaFil: López Hermoso, Clara. Universidad de Sevilla; EspañaFil: Fernández, Ana Belén. Universidad de Sevilla; España. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Planta Piloto de Procesos Industriales Microbiológicos; ArgentinaFil: Farias, Maria Eugenia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Planta Piloto de Procesos Industriales Microbiológicos; ArgentinaFil: Ventosa, Antonio. Department Of Microbiology And Parasitology, Faculty Of; Españ