emisivas de plumas Técnicas de termografía IR para el diagnóstico de temperatura real

Introducción

Generalmente, se denomina pluma o penacho, al chorro de gases de escape de un motor aeronáutico. Este término, ampliamente usado, aporta bastante información en sí mismo. Todos los chorros, sean del motor que sean, tienen una serie de características comunes que se pueden dividir principalmente en dos: características fluidodinámicas y características emisivas.

Dentro de los motores aeronáuticos más utilizados en sistemas de defensa, se encuentran los motores cohete. Uno de los aspectos críticos en la utilización de sistemas propulsados por motor cohete, o aquellos que utilizan los gases procedentes de la combustión de propulsantes sólidos para mejorar sus características aerodinámicas, es la interacción de la pluma generada por el sistema de propulsión con la plataforma de lanzamiento. Esta interacción es función de las características geométricas y fluidodinámicas de la pluma, así como su temperatura, composición y contenido en partículas. La determinación experimental de estas variables, son también necesarias para la verificación de modelos fluidodinámicos computacionales, los cuales pueden ser utilizados posteriormente para predecir el comportamiento de la pluma en otras condiciones de funcionamiento.

En la literatura se pueden encontrar gran número de estudios dedicados al desarrollo de técnicas experimentales para la medida del campo de temperaturas en flujos con combustión, sin embargo, su aplicación a plumas de motor cohete presentan inconvenientes que dificultan su uso en este tipo de flujos. Estas dificultades están relacionadas presencia de un numero apreciable de especies y la presencia de partículas, las cuales son ópticamente activas, radiando en una banda ancha del espectro electromagnético, todo ello asociado con temperaturas y velocidades elevadas, así como entornos de ensayo muy agresivos en motores cohete reales, para técnicas convencionales como Rayleigh scattering, Raman scattering, LIF, etc. Por ello, existen pocos estudios sobre estas técnicas que permitan la determinación del campo de temperaturas real en este tipo de flujos.

Características fluidodinámicas de plumas

Las plumas, independientemente del régimen en el que se encuentren, subsónico o supersónico, tienen una estructura marcada por varias zonas diferenciadas.

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Figura 1 Esquema de la estructura una pluma

Por norma general, los gases en la salida tienen una velocidad diferente al flujo libre externo. Esta diferencia de velocidades provoca en la zona cercana al escape, campo cercano, la aparición un núcleo no viscoso donde los productos de la combustión no se mezclan con el ambiente exterior. La estructura de este núcleo será diferente en función del régimen. En la zona exterior, debido a las diferencias de velocidades, aumentan los esfuerzos viscosos, produciéndose una capa que mezcla entre el flujo del chorro y el exterior. Esta capa de mezcla es estrecha en la zona cercana a la tobera, dando como resultado la predominancia del núcleo no viscoso. Al avanzar en dirección axial, la capa de mezcla va ensanchándose tanto hacia el flujo exterior como hacia el interior de la pluma, extendiéndose en el núcleo no viscoso. En esta zona denominada región de transición, va aumentando la capa de mezcla mientras el núcleo disminuye su tamaño. Al producirse una mezcla con el ambiente los productos de la combustión aún oxidables pueden reaccionar con el oxígeno atmosférico, dando lugar a un fenómeno conocido como postcombustión. Una vez que la capa de mezcla ocupa todo el diámetro de la pluma, la mezcla con la atmósfera es predominante, es lo que se conoce como campo lejano. Cuando la velocidad de salida de los gases es mayor que la velocidad del ambiente, o la velocidad de vuelo, debido a la fricción y la consiguiente disminución de la velocidad, el flujo en la capa de mezcla aumenta su temperatura.

2.1. Régimen subsónico La estructura del núcleo no viscoso en este régimen se puede ver en la Figura 2. La velocidad en el escape de la tobera, se mantienen más o menos constante a lo largo y ancho del núcleo no viscoso. En la zona de la capa de mezcla, se produce la transición entre la velocidad del núcleo y la velocidad el ambiente. Una vez

que el núcleo no viscoso se ha diluido, la velocidad en el eje comenzará a disminuir. La transición entre la velocidad del eje y la velocidad ambiente será menos acusada según nos alejemos del escape.

Figura 2 Perfil de las velocidades en una pluma subsónica

Si no se produce postcombustión, la temperatura seguirá un patrón similar a la velocidad. Sin embargo, cuando este fenómeno se produce, la energía producida en las reacciones químicas calentará las zonas de la capa de mezcla, ensanchando la zona de alta temperatura y aumentando los valores de temperatura respecto a la ausencia de postcombustión.

2.2. Régimen supersónico La estructura del núcleo no viscoso en este régimen será función de la relación de presiones entre la salida del motor y el ambiente. Cuando la presión en el escape es menor que la ambiente, el flujo se encuentra sobre-expandido. En caso contrario, cuando la presión en el escape es mayor que la presión ambiente, se dice que el flujo está sub-expandido (Figura 3).

En cualquiera de los casos, alrededor del núcleo no viscoso aparecerán capas de cortadura con altos gradientes de velocidades. Tras estas capas, la capa de mezcla tendrá un comportamiento similar al caso subsónico, aunque pueden aparecer ondas de choque y de expansión. Si existen productos oxidables, se producirán efectos de postcombustión en la región de capa de mezcla.

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