El cambio climático ya está aquí. Con el fin de paliar sus peores efectos, se acelera la investigación cientifíca relacionada con el aumento global de la temperatura de la Tierra. Por ejemplo, el estudio de combustibles alternativos, como el metano o el hidrógeno, busca sustituir, en un período de tiempo relativamente corto, aquellos derivados del petróleo y al carbón. Por otro lado, las investigaciones centradas en procesos de combustión en geometrías confinadas son interesantes en relación a la seguridad, desarrollo de pequeños combustores o incluso la mejora de la eficiencia de los motores de combustión interna. El uso de combustibles gaseosos no convencionales puede destapar inestabilidades previamente ausentes que afectan al rendimiento y la seguridad, en general, de todos los sistemas de generación de energía. En particular, las llamas pueden acoplarse con las ondas acústicas presentes en la cámara de combustión, generando una fuerte pulsación del frente reactivo. Esta vibración del campo fluido puede ser a su vez transmitida a la estructura que sostiene el sistema y, potencialmente, desencadenar roturas catastróficas. Por las razones enumeradas anteriormente, entre otras, esta tesis doctoral tiene como objetivo estudiar la estabilidad de llamas gaseosas premezcladas que se propagan en geometrías estrechas y semiconfinadas, como la celda Hele-Shaw. Nos centraremos, por un lado, en las conocidas como inestabilidades termoacústicas y, por otro, en un régimen de propagación previamente desconocido que aparece en llamas extremadamente pobres de combustibles altamente difusivos, como el hidrógeno. La metodología aplicada consiste en la evaluación, mayormente experimental, del efecto de diferentes parámetros (combustible, composición de la mezcla, pérdidas de calor y gravedad) en la aparición de dichos fenómenos. Primero, se estudia la propagación de llamas de metano, propano y dimetiléter (DME), minimizando efectos de flotabilidad y cambiando la composición de sus mezclas con aire. Todos estos combustibles muestran dos regímenes de acoplamiento termoacústico. En concreto, mezclas pobres (ricas) de propano y DME (metano), oscilan suavemente en el régimen termoacústico primario, por lo que su contorno, ligeramente rizado por la estabilidad de Darrieus-Landau, no se ve modificado durante su propagación a lo largo del canal. Mezclas más ricas (pobres) que un valor crítico –dependiente de la mezcla– muestran una interacción mucho más marcada con la acústica y se mueven bajo el efecto de las inestabilidades termoacústicas secundarias. Éstas se caracterizan por un movimiento oscilatorio muy violento, generando picos acústicos de hasta 6 kPa, a la frecuencia propia dictada por las condiciones de la cámara (geometría, temperatura media, posición del frente reactivo, etc.). Su forma se modifica por completo, volviéndose altamente estirada y generando unos lóbulos con forma dactilar y largas colas. Después, rotamos la celda Hele-Shaw para añadir el efecto de la gravedad al problema. Aquellas llamas que se propagan hacia abajo se ven estabilizadas por esta aceleración y no muestran cambios significativos en comparación con las llamas horizontales. Esto nos permite comparar las llamas de los hidrocarburos nombrados previamente con las de hidrógeno pobre, las cuales se propagan en una geometría parecida y también hacia abajo. Se comportan, cualitativamente, de la misma manera que el metano. Llamas suficientemente ricas se ven afectadas por la suave oscilación del régimen primario, transicionando aquellas más pobres al secundario para vibrar con fuerza. Por otro lado, redujimos el grosor del canal para una mezcla fija de DME con aire (estequiométrica) y diversas mezclas de hidrógeno, para contabilizar el efecto de las pérdidas de calor y acústicas del sistema. Se ve que son relativamente despreciables –de nuevo, dependientes de la mezcla– hasta alcanzar geometrías suficientemente estrechas. Es aquí donde la acústica comienza a ser atenuada, incluso totalmente eliminada, por la creciente interacción con la capa límite acústica y las crecientes pérdidas de calor hacia las paredes del contenedor. En relación al hidrógeno, la región de inestabilidades secundarias se ve progresivamente reducida al estrechar el canal, mostrando una nueva zona de transición a la región primaria para llamas muy pobres. En estos casos, el frente se rompe y divide en llamas más pequeñas que interactuán de forma más débil con las ondas acústicas. Además, analizamos llamas que se propagan hacia arriba. La inestabilidad de Rayleigh-Taylor se vuelve dominante para valores suficientemente pequeños del número de Froude –que compara los efectos de flotabilidad e inercia– , que se obtienen para llamas pobres y lentas. Las llamas que se rigen por esta inestabilidad desarrollan frentes menos arrugados que las que se propagan en dirección opuesta e ignoran cualquier presencia de ondas acústicas en el sistema. Este comportamiento se vuelve crítico para casos pobres de hidrógeno y metano. Estas llamas vibran generando altas presiones acústicas cuando se propagan hacia abajo u horizontalmente. Pero no se ven afectadas por estás oscilaciones cuando viajan hacia arriba. Con todos estos resultados, damos una relación directa y clara entre las inestabilidades termoacústica y la forma del frente. Por tanto, la curvatura y elongación de las llamas afectarían a los procesos de conducción y difusión y, por ello, caracterizarían la respuesta del frente a perturbaciones de presión oscilatorias. Este efecto se caracteriza comúnmente con el número de Markstein, que podría controlar la transición entre los diferentes modos de inestabilidad termoacústica. Además, su tendencia monótona decreciente en las llamas estudiadas, lo refuerzan como el principal candidato para ello. Sin embargo, la definición de este parámetro, y por consiguiente toda teoría relacionada con él, solo es válida para mezclas con igual difusión térmica y másica (Le ∼ 1). Esto conlleva que el número de Markstein no pueda describir de forma detallada y precisa mezclas de hidrógeno pobre (Le ∼ 0.3), que es donde aparecen las inestabilidades termoacústicas. Finalmente, se creía imposible la propagación de llamas de hidrógeno extremadamente pobre en geometrías muy estrechas y confinadas. Aquí, la predecimos con una simulación numérica quasi-2D que incluye los efectos de las pérdidas de calor, para luego demostrar empíricamente cómo llamas con una concentración de combustible muy baja experimentan una propagación sin precedentes en espacios muy estrechos, incluso alcanzando geometrías inferiores a 6 mm. Estas llamas, con una alta difusividad másica, son capaces de soportar condiciones tan adversas como las expuestas, rompiendo su frente de propagación en varias celdas aisladas que o bien se propagan a una velocidad constante y siguiendo trayectorias prácticamente rectilíneas, o se dividen cíclicamente para seguir caminos que delinean sorprendentes patrones fractales, similares a aquellos que generan diferentes mecanismos biológicos, como las bacterias o los hongos, cuando se encuentran ante una situación de escasez de alimento. La combinación de la alta difusividad másica del hidrógeno y unas muy severas pérdidas de calor hacia las paredes de nuestros canales, permite y explica los dos nuevos métodos de propagación.

Coa chegada do cambio climático cómpre afondar nos temas que axuden a paliar os seus efectos máis adversos e inmediatos. Unha das principáis liñas de investigación baséase no desenvolvemento de combustibles alternativos, como por exemplo o metano ou o hidróxeno, co fin de substituir aqueles derivados do petróleo e o carbón. Así mesmo, a investigación centrada na oxidación destes combustibles, con especial interese naqueles fenómenos que acontecen en xeometrías confinadas, é importante tanto para a seguridade dos futuros sistemas de xeración de enerxía e a mellora da súa eficiencia como para o deseño de xeradores portátiles. A combustión destes combustibles alternativos abre a porta á aparición de inestabilidades que poñan en risco a seguridade e o funcionamento de moitos sistemas. Un dos fenómenos máis perigosos aparece cando as ondas acústicas presentes na cámara de combustión interactúan coas chamas, xerando unha forte vibración do fronte reativo e o campo fluido que pode ser transmitido á estrutura e derivar nunha rotura catastrófica. Esta tese doutoral ten como obxectivo o estudo da estabilidade de chamas premesturadas de diferentes combustibles gaseosos que se propagan en xeometrías estreitas e semiconfinadas, como a celda Hele-Shaw. O principal interese reside na descrición das coñecidas como inestabilidades termoacústicas e o efecto de diferentes parámetros (combustible, mestura, perdas de enerxía e gravidade) nelas. Ademais, preséntase e estúdase un novo réxime de propagación que emerxe para mesturas moi pobres dun combustible altamente difusivo, como é o hidróxeno, cando a canle na que se propaga é suficientemente estreita. Comezaremos co estudo de chamas de propano, metano e dimetiléter (DME) que non se vexan afectadas pola gravidade. Éstas propáganse nunha cámara de combustión horizontal e fixa, modificando só a composición das mesturas queimadas. En relación ás inestabilidades a estudar, todas presentan dous rexímenes. Chamas suficientemente ricas (pobres) de propano ou DME (metano) interactúan coas ondas acústicas e comezan a vibrar violentamente, por mor das altas presións acústicas que aparecen, á frecuencia propia marcada polas condicións da cámara (xeometría, temperatura media, posición do fronte). Alén diso, a forma da chama vese claramente modificada, mudando do característico fronte lixeiramente ondulado das inestabilidades Darrieus-Landau a outro moito máis estirado, xerando ondas con forma de dedos cunhas longas colas. Este réxime coñécese como o das inestabilidades termoacústicas secundarias. Cando se queiman chamas máis pobres (ricas) dun valor crítico –que depende da mestura–, éstas oscilan suavemente. Aparece o réxime primario, no que as presións acústicas asociadas son moitos menores e a forma da chama non se ve modificada. De seguido, rotamos a cámara de combustión e permitimos así que as chamas se propaguen cara abaixo e influenciadas polo efecto estabilizador da gravidade. En comparación coa propagación horizontal, non se atopan diferencias de calado. Isto permítenos contrapoñer os resultados de hidrocarburos coas chamas de hidróxeno pobre que queimamos nunha canle de similares características e influenciada tamén pola flotabilidade. O hidróxeno compórtase como o metano: mesturas suficientemente ricas vibran de forma feble baixo o efecto do réxime primario e mesturas máis pobres transicionan ao réxime secundario para vibrar con forza. Ademais, o efecto das perdas acústicas e de calor estúdase para chamas estequiométricas de DME e diferentes composicións de hidróxeno e aire, diminuíndo o tamaño da canle. Ata acadar estreiteces pequenas, estas perdas non son importantes. Chega un punto crítico no que as ondas se comezan a atenuar, incluso a desaparecer, por mor da interacción déstas coa capa límite acústica e o incremento das perdas de calor coas paredes da cámara. Un fenómeno do hidróxeno en particular é que a rexión de inestabilidades secundarias vese reducida, aflorando tamén unha zona de transición adicional para chamas moi pobres preto do límite, na que o fronte se rompe en varias estruturas máis pequenas. Esta discontinuidade da chama provoca unha interacción máis feble co fronte, permanecendo éste baixo o efecto das inestabilidades primarias. Alén diso, analizamos chamas propagándose cara arriba. A dinámica de chamas pobres e lentas vese gobernada pola inestabilidade de Rayleigh-Taylor, o que xera uns frontes moito máis suaves e lisos que chamas idénticas que se moven en dirección oposta e que non se perturban pola presencia da acústica na cámara. Este comportamento pasa a ser crítico para casos pobres de hidróxeno e metano. Éstas vibran e xeran altas presións acústicas (arredor de 3/5 kPa) cando se propagan horizontalmente ou cara abaixo, no que a gravidade exerce un efecto estabilizador. Sen embargo, non se ven afectadas polas oscilacións acústicas ao se propagar cara arriba. Con isto, mostramos neste traballo unha relación directa e clara entre as inestabilidades termoacústicas e a forma do fronte. Polo que a curvatura e a elongación do fronte afectarían á conducción e á difusión e caracterizarían a resposta das chamas ás perturbacións de presión. Comunmente, o número de Markstein describe este efecto, polo que o sinalamos como posible parámetro de control destas inestabilidades. Ademais, o seu valor diminúe de forma monótona para as chamas estudadas, o que reforza a súa candidatura. Sen embargo, a propia definición deste parámetro e todo análise matemático derivado del só está contemplado para mesturas cun número de Lewis preto a un. Por tanto, o número de Markstein non pode describir de forma precisa a interación coa acústica do hidróxeno, xa que ésta só se atopa en casos considerablemente pobres e cun Le ∼ 0.3. Para rematar, considerábase imposible que chamas ultra pobres de hidróxeno sobreviviran en cámaras de combustión confinadas e extremadamente estreitas. Nós predicimos, cunha simulación numérica simplificada (quasi 2D) na que tamén se consideran as perdas de calor, e verificamos experimentalmente cómo estas chamas non só se propagan senón que o fan dunha maneira sen predecentes en canles cunha estreitez inferior a 6 mm. Estas mesturas altamente difusivas combaten condicións tan adversas como as expostas ben partindo o fronte en pequenas celas que se moven a unha velocidade constante ou volvendo a romper dunha maneira cíclica, delineando unha circulación fractal que asemella ás estruturas que seguen habitualmente seres vivos, como as bacterias e os fungos, en situacións de carencia de alimento. A combinación da alta difusividade másica do hidróxeno e as altas perdas de calor cara as paredes sólidas das nosas estreitas canles habilita e explica estes dous novos métodos de propagación.

The sudden arrival of the climate change hurries fundamental research on a wide variety of topics trying to slow it down and counteract its effects. One of the examples is the study of alternative fuels (e.g., methane and hydrogen) to replace oil and coal. Furthermore, scientific investigation focusing on combustion in confined geometries is also interesting in safety-related scenarios, as well as in the development of small burners, or even improving the efficiency of the existing and upcoming internal combustion engines. Combustion of premixed alternative gaseous fuels involves several instabilities that affect the overall performance and security of confined power generation systems. Particularly, the flames may couple with the acoustic waves produced in the combustion chamber, generating a strong pulsation of the reactive front which is also transmitted to the holding structure and can lead to a catastrophic failure. This dissertation aims to study the stability of premixed gaseous flames propagating in semi-confined narrow geometries (i.e., Hele-Shaw cell). The spotlight focuses on the so-called thermoacoustic instabilities and a previously unknown propagation regime, introduced here, for ultra-lean highly-diffusive flames. The methodology consists of the evaluation of experimental studies to assess the effect of different parameters (e.g., fuel, mixture composition, energy losses, gravity) on their onset. First, we study the combustion of methane, propane and dymethilether (DME) blends with air, minimizing buoyancy effects and changing the composition of the mixture. Regarding thermoacoustics, all the fuels undergo two regimes of acoustic coupling. Lean enough (rich) propane and DME (methane) flames oscillate smoothly, given the relatively low interaction with the acoustic waves, at the primary thermoacoustic regime, and keep their slightly wrinkled outline (due to the hydrodynamic instability) during their whole journey along the channel. Richer (leaner) flames than a critical value –mixture dependent– show a strong coupling with the acoustic waves and develop the secondary thermoacoustic instability, characterized by a violent oscillatory motion of the front, related to high acoustic pressures, at the eigenfrequency determined by the conditions of the chamber (i.e., geometry, average temperature, position of the front, etc.). The shape of the reactive front changes from the characteristic smoothly-wrinkled Darrieus-Landau front to become very stretched, generating lobes with the shape of fingers with long tails. Later, we rotate the combustion chamber to burn downward-propagating flames which are somehow influenced by the stabilizing effect of buoyancy. The differences found are not of major importance and, therefore, it is possible to compare the previous results to the ones obtained for lean hydrogen-air buoyant mixtures propagating in a similar geometry. They behave as methane flames: rich-enough downward-propagating flames begin to vibrate smoothly, under the primary acoustic regime described before. Mixtures leaner than a critical value are able to transit to the secondary oscillating regime. Additionally, we reduce the channel thickness for a stoichiometric non-buoyant DME flame and different hydrogen-air mixtures, of variable composition and traveling downwards, to evaluate heat losses and acoustic damping via viscous effects. They result to be almost negligible –mixture dependent– until reaching sufficiently thin geometries, where acoustics begin to be attenuated, and eventually totally removed, due to the interaction with the acoustic boundary layer and the increasing heat losses to the surroundingwalls. Regarding hydrogen, the region of equivalence ratio for the secondary thermoacoustic instability diminishes, showing an additional transition for very lean flames. There, the reactive front breaks into several smaller flames and their feedback with the acoustic waves becomes weaker. Next, we test flames travelling upwards, finding that the Rayleigh-Taylor instability becomes dominant for sufficiently small values of the Froude number –that compares gravity to inertial effects–, obtained for lean and rich enough flames that propagate slowly. Flames governed by this instability develop less wrinkled fronts than those propagating to the opposite direction, and remain unresponsive to the interaction with acoustics. This behaviour becomes critical for lean hydrogen and methane flames, that do vibrate strongly and build up pressure peaks up to 3/5 kPa if gravity is negligible or stabilizing, but they show zero feedback with acoustic when propagating upwards. We give here a direct and clear connection between thermoacoustics and the shape of the front. Therefore, curvature and strain effects on conduction and diffusion processes are found to be important in the response of the flames to dynamic pressure perturbations. This effect is commonly represented by the Markstein number, which might control the transition between the different aforementioned thermoacoustic instabiliy modes. Furthermore, its monotonic decreasing trend with the composition of the mixture –for the analyzed flames– reinforces it as an important actor. Nevertheless, its definition and the related theoretical analyses found in the literature only apply for equidiffusional (Le ∼ 1) mixtures, and are not accurate enough to describe the vibratory hydrogen flames, only found for considerably lean mixtures (Le ∼ 0.3), considered in our experiments. Finally, the propagation of ultra-lean hydrogen flames was thought to be impossible in very narrow and confined geometries. We first predict with a simplified quasi-2D non-adiabatic simulation and then demonstrate empirically how flames with very low fuel concentration undergo an unprecedented propagation in gaps narrower than 6 mm: the highly-diffusive flames can withstand such adverse conditions by parting the front into several isolated flame cells that move at a constant velocity with an almost straight trajectory or split cyclically to fulfill a fractal-like circulation that looks like the pathway formed by different living mechanisms, such as starving bacteria or fungi. The combination of a high mass diffusivity of hydrogen and severe heat losses to the enclosing solid walls of our thin channels enables and explains the two new propagation schemes.