Visualización a alta velocidad y medición de presión de la dinámica de explosiones de hidrógeno en geometrías obstruidas y no confinadas

Resumen

Este artículo demuestra un método experimental controlado para investigar la dinámica de explosiones de hidrógeno en entornos no confinados con obstáculos. Utilizando imágenes sincronizadas a alta velocidad y mediciones de presión, el protocolo captura la aceleración de la llama, la generación de turbulencia y la acumulación de presión resultante del encendido retardado de los chorros de hidrógeno subexpandidos.

Resumen

Este artículo presenta un método experimental detallado para estudiar el comportamiento de explosiones de hidrógeno bajo diferentes disposiciones de obstáculos y condiciones de confinamiento. El procedimiento implica la liberación controlada de un chorro de hidrógeno, la ignición retardada y el ajuste sistemático de la geometría de los obstáculos y las distancias de confinamiento para replicar escenarios industriales realistas. Las cámaras de alta velocidad capturan la propagación de la llama y la transición al fuego a chorro, mientras que los transductores de presión registran la severidad de la explosión y la acumulación de presión. El método destaca parámetros clave, como el diámetro de la tobera, la presión aguas arriba, el espaciamiento de obstáculos y el confinamiento, que regulan la generación de turbulencia y la aceleración de la llama. Los resultados representativos validan el enfoque e ilustran cómo las configuraciones geométricas influyen en la intensidad de la explosión. Este flujo de trabajo reproducible está diseñado para apoyar tanto la investigación como la educación, proporcionando una documentación clara y paso a paso del proceso experimental. Más allá de su aplicación inmediata en estudios experimentales de seguridad del hidrógeno, el protocolo proporciona datos valiosos para validar modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) y desarrollar directrices de ingeniería para la mitigación de riesgos. Al integrar métodos visualizados con la recopilación de datos estructurados, este protocolo apoya la experimentación reproducible y puede apoyar futuros estudios destinados a mejorar la seguridad de los sistemas de hidrógeno en entornos industriales y marítimos.

Introducción

El hidrógeno se ha consolidado como un prometedor portador de energía debido a su alta densidad energética y a sus beneficios medioambientales. Sin embargo, su almacenamiento y uso en sistemas de alta presión presentan importantes desafíos de seguridad, especialmente en entornos industriales y marítimos donde fugas no intencionadas pueden provocar situaciones peligrosas. Cuando el hidrógeno se escapa de sistemas de alta presión, escapa como un chorro de alta velocidad y poco expandido que atrapa rápidamente el aire circundante, formando una mezcla inflamable de hidrógeno-aire ^1,2. El impulso y el comportamiento de mezcla del chorro influyen fuertemente en la dinámica resultante de la llama y la explosión.

Dado que el hidrógeno puede escapar como un chorro de alto momento, mezclarse rápidamente con el aire y producir una nube explosiva, se requieren medidas de seguridad^{robustas 3}. En entornos confinados u obstruidos, la geometría y el espaciamiento de los obstáculos influyen significativamente en el desarrollo de turbulencias, propagación de llamas y severidad de^{explosión 4,5}. Aunque las configuraciones de liberación de hidrógeno sin confinamiento se recomiendan ampliamente porque reducen el riesgo de acumulación de presión y explosiones severas. La apertura total a menudo no es alcanzable en entornos industriales o marítimos. Sin embargo, en entornos industriales o marítimos, el confinamiento físico suele ser inevitable, lo que conduce a un aumento del riesgo de arrastre de flujo y desarrollo de turbulencia. Estas condiciones tienen un impacto directo en el comportamiento de los chorros, los fenómenos de mezcla y, en última instancia, la propagación de la^{llama 5}. Comprender estos parámetros es esencial para diseñar sistemas de hidrógeno más seguros y establecer distancias de seguridad^{efectivas 6,7}. A pesar de los avances en las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), los datos experimentales siguen siendo indispensables para validar estos modelos y desarrollar directrices de ingeniería^{fiables 8,9}.

En comparación con otros enfoques diagnósticos utilizados en estudios de encendido por chorro de hidrógeno, como la imagen Schlieren, la fluorescencia inducida por láser planar (PLIF) o las mediciones de presión en punto único, la imagen sincronizada de alta velocidad combinada con la detección de presión multiubicación proporciona una caracterización más completa de la estructura de la llama, el desarrollo de chorros transitorios y la resistencia a la^explosión 10,11,12 . Técnicas como schlieren o PLIF suelen capturar solo gradientes de densidad o campos de concentración de especies y pueden no resolver transiciones rápidas en la morfología de la llama tras la ignición tardía. Del mismo modo, los diagnósticos solo por presión ofrecen una visión limitada sobre la geometría de la llama o los modos de propagación. El enfoque combinado de imagen y presión utilizado en este estudio permite un seguimiento detallado de los regímenes de ignición, aceleración de la llama y acumulación de presión con alta resolución temporal, ofreciendo claras ventajas para validar modelos CFD e identificar comportamientos peligrosos de llamas.

Este artículo presenta la metodología y los resultados de experimentos que investigan los efectos de un obstáculo en forma de tubería sobre la propagación de la llama y la dinámica de explosiones tras la ignición tardía de chorros de hidrógeno a alta presión en una atmósfera abierta. Un chorro subexpandido ocurre cuando la presión de salida del hidrógeno supera la presión ambiente, lo que conduce a la formación de una estructura de choque cerca de la tobera. Este fenómeno afecta significativamente las características de mezcla del chorro y el comportamiento posterior de la llama al encenderse. Durante el experimento, el hidrógeno se liberó a través de un orificio circular de 1,69 mm a presiones de suministro que oscilaban entre 30 y 80 bar(g). Se examinó la influencia de la localización retardada de encendido y de las dos distancias de distancia de obstáculos en la evolución del chorro y la propagación de la llama. Utilizando imágenes sincronizadas de alta velocidad y mediciones de presión, los experimentos proporcionan información sobre los regímenes de flujo, el comportamiento de la llama y las condiciones que contribuyen a la severidad de la explosión. El montaje experimental se muestra en las Figuras 1 y 2. Imágenes de una botella de hidrógeno y sus válvulas están incluidas en la Figura Suplementaria 1 y la Figura Suplementaria 2. Los datos experimentales están destinados a complementar las simulaciones CFD proporcionando puntos de validación para la velocidad de la llama, la acumulación de presión y la mezcla turbulenta dentro del chorro.

Figura 1: Diagrama simplificado de tuberías e instrumentación (P&ID) del montaje experimental. El diagrama muestra el suministro de hidrógeno, PT, sensores de presión (P1–P4), válvula neumática (V), IGN, CAM y OS. Abreviaturas; PT = transmisores de presión; IGN = unidad de encendido; CAM = cámara de alta velocidad; OS = adquisición de datos/conexión osciloscopio; T = señal de disparo; DC = corriente continua; SSD = dispositivo de relé de estado sólido. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 2: Montaje experimental. Fotografía de la configuración del laboratorio, que muestra la tobera, la estructura de obstáculos, los sensores de presión y la disposición de montaje de la cámara utilizada durante las pruebas de explosión por chorro de hidrógeno. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

La presión de suministro de hidrógeno se medía mediante un transmisor de presión (0–250 bar(g)) instalado aguas arriba de la tobera. La geometría del obstáculo (configurada como una serie de círculos verdes, véase adjunto) se posicionó a dos distancias de la tobera: 29 cm y 54 cm. Las distancias seleccionadas corresponden a diferentes etapas de la evolución del chorro, durante las cuales la concentración de hidrógeno cambia del 60% al 30% (Figura 3). La fuente de ignición se colocó en tres ubicaciones distintas para evaluar el efecto de la posición de ignición en el desarrollo del chorro y la propagación de la llama. Las localizaciones de ignición se eligieron para investigar si la llama se iniciaba en regiones de alta concentración de hidrógeno (cerca de la tobera) o en regiones de menor concentración (más abajo).

El campo de concentración del chorro de hidrógeno no se midió experimentalmente. En su lugar, se estimó utilizando el modelo de tobera nocional descrito en otro estudio¹³ junto con los contornos de decaimiento de concentración presentados en otro estudio¹⁴, como se muestra en la Figura 3. Este enfoque de modelado asume que el chorro pasa de un estado subexpandido a un chorro turbulento completamente desarrollado con un perfil de concentración gaussiano. El modelo de tobera nocional simplifica el complejo campo de flujo cerca de la tobera al representarlo como un chorro ideal equivalente con propiedades conocidas. Como resultado, la distribución real de la concentración dentro de la geometría del obstáculo permaneció desconocida durante las pruebas. Aunque este enfoque de modelización proporciona una estimación razonable del comportamiento global del chorro, el campo de concentración no fue validado experimentalmente y, por tanto, la composición local de la mezcla en el punto de ignición puede diferir de los valores predichos.

Figura 3: Contorno de concentración del chorro de hidrógeno. Distribución simulada de la concentración de hidrógeno para una liberación de 60 bares a través de una tobera de 1,69 mm, ilustrando la desintegración radial y axial de la fracción másica del hidrógeno. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

El caudal másico se determinó a partir de la presión de descarga mediante relaciones de flujo asfixiado a una temperatura de gas asumida de 293 K, asegurando condiciones de liberación estables y reproducibles. El encendido ocurría 2,5 s después de la apertura de la válvula, y la cámara de alta velocidad se sincronizaba con el sistema de encendido para captar el desarrollo temprano de la llama y permitir un postprocesado preciso de la dinámica de propagación de la llama.

Protocolo

Este protocolo proporciona una descripción paso a paso del procedimiento experimental utilizado para investigar la dinámica de la ignición y explosión de chorros de hidrógeno. Todos los materiales, equipos y software utilizados en el procedimiento se enumeran en la Tabla de Materiales. Se proporcionan plantillas procedimentales adicionales, incluyendo la lista de comprobación de arranque y apagado (Archivo Suplementario 1) y la plantilla de registro de datos experimentales (Archivo Suplementario 2), para apoyar la reproducibilidad y la implementación en laboratorio. Los experimentos se realizaron en condiciones ambientales típicas de laboratorio a temperatura ambiente (alrededor de 22 °C), con ventilación mecánica estándar funcionando a la tasa regulada de cambio de aire del edificio. Aunque la temperatura y la ventilación no se controlaron activamente, futuros estudios podrían beneficiarse de monitorizar estos parámetros

1. Preparación experimental de montaje

PRECAUCIÓN: Asegure la zona experimental cerrando puertas de acceso y colocando señales de advertencia, y prohíba la entrada de personal no autorizado al laboratorio. Ponte el equipo de protección individual (EPI) adecuado, incluyendo un casco con pantalla facial y protección auditiva, antes de comenzar cualquier operación relacionada con hidrógeno. Conecta a tierra todo el equipo experimental a una conexión a tierra verificada para reducir el riesgo de descargas eléctricas del sistema de encendido por chispa.

1. Conexiones de equipos
   1. Conecta el regulador de alta presión al cilindro de hidrógeno y luego conecta una manguera de alta presión entre la salida del regulador y la entrada del montaje experimental.
      PRECAUCIÓN: Utilice tuberías y conexiones homologadas para al menos 100 bar(g) y compatibles con el servicio de hidrógeno. Inspecciona todas las conexiones visualmente antes de presurizarlas.
   2. Conecta la válvula neumática al compresor de aire usando una manguera de aire y ajusta la presión de salida del compresor al valor requerido para la actuación total de la válvula según las especificaciones de la válvula.
   3. Conecta todos los dispositivos electrónicos (sistema de adquisición de datos, cámara de alta velocidad, generador de pulsos y unidad de ignición) a sus respectivas fuentes de alimentación y enciéndelas.
   4. Conecta la salida del disparador del generador de pulsos al control neumático de válvulas, la entrada de disparo de cámara de alta velocidad, la entrada de disparo para adquisición de datos de presión y la entrada de disparo de la unidad de ignición usando cables de señal apropiados.
   5. Posiciona la matriz de obstáculos a la distancia seleccionada (por ejemplo, 29 cm o 54 cm) aguas abajo de la tobera midiendo desde el plano de salida de la tobera, y alinea los obstáculos con la línea central del chorro.
   6. Coloca la fuente de encendido en la ubicación deseada respecto al obstáculo y la tobera (por ejemplo, cerca de la tobera, a mitad de chorro o aguas abajo), y fijala firmemente en su posición.
   7. Ajusta la distancia entre electrodos de ignición a un hueco de chispa de aproximadamente 1–3 mm usando un manómetro o regla de palpador.
   8. Realiza una prueba de fugas en todas las conexiones de hidrógeno presurizando el sistema con un gas inerte (por ejemplo, nitrógeno) a una presión ligeramente superior a la presión prevista de funcionamiento y aplicando una solución de agua y jabón a cada accesorio usando un cepillo o pulverizador. Inspecciona la formación de burbujas. Aprieta o vuelve a hacer cualquier conexión donde aparezcan burbujas y repite la prueba hasta que no se detecten fugas.
2. Calibración y configuración
   1. Configura el sistema de adquisición de datos para muestrear todos los canales de presión a una velocidad de al menos 50 kHz. Configura la base de tiempo para cubrir todo el evento de liberación y combustión (por ejemplo, 5 s de duración total) y establece un rango de voltaje apropiado para cada sensor de presión según su calibración. Configura el sistema para que se active en una señal de borde ascendente procedente del generador de pulsos.
   2. Ajusta la cámara de alta velocidad a una resolución de 1024 × 1024 píxeles y 5.000 fotogramas por segundo (fps). Ajusta el tiempo de exposición a un valor que evite el desenfoque de movimiento manteniendo suficiente brillo (por ejemplo, 100–200 μs) y selecciona un modo de disparo que registre un breve periodo previo al disparo (por ejemplo, entre el 10 y el 20% del tiempo total de grabación).
      NOTA: Ajusta la resolución, la tasa de fotogramas y el tiempo de exposición según las capacidades de la cámara y el nivel de detalle de la llama requerido.
   3. Programar el generador de pulsos para enviar una secuencia de disparo único que active simultáneamente la válvula neumática, la cámara de alta velocidad, la adquisición de datos de presión y la unidad de ignición. Ajusta la duración de liberación de hidrógeno a 2,03 s y el retardo de ignición a 2,00 s respecto a la apertura de la válvula, con una duración de pulso de 0,03 s.
   4. Configura el disparador de la cámara para que empiece a grabar al mismo tiempo que el disparador de ignición, con el periodo previo al disparo seleccionado, y configura el sistema de adquisición de datos para que empiece a grabar con la misma señal de disparo.
   5. Verifica la configuración del disparador enviando un disparador de prueba mientras la válvula del cilindro de hidrógeno está cerrada y confirmando que la válvula se abre, la cámara graba y el sistema de adquisición de datos almacena una pista de prueba.

2. Ejecución experimental

1. Liberación y encendido del hidrógeno
   1. Abrir lentamente la válvula principal del cilindro de hidrógeno y luego ajustar el regulador de presión a la presión ascendente deseada (por ejemplo, 30–80 bar(g)), según lo especificado en la matriz experimental. Espera hasta que la presión del regulador se estabilice dentro de ±0,5 bar durante al menos 10 segundos antes de continuar.
   2. Muévete al lugar seguro designado detrás de la barrera protectora o fuera de la zona de peligro, manteniendo contacto visual con el experimento a través de cámaras o ventanas de observación.
   3. Apaga la iluminación innecesaria de la habitación para mejorar el contraste de vídeo a alta velocidad.
   4. Activa la señal visual o sonora de seguridad del laboratorio según los procedimientos locales para indicar que la liberación de hidrógeno está a punto de comenzar.
   5. Inicia el generador de pulsos para iniciar la secuencia de disparo sincronizada.
2. Recogida de datos.
   1. Guarda las señales de presión de explosión medidas de todos los sensores de presión, así como la traza de presión de suministro aguas arriba, utilizando el software de adquisición de datos.
   2. Guarda el archivo de vídeo a alta velocidad que muestra el comportamiento de la ignición y la propagación de la llama a través de la geometría del obstáculo. Confirma que la grabación incluye el periodo previo al disparo y que el momento de encendido es visible en la grabación.
   3. Transfiere todos los datos grabados a la carpeta de experimentos designada y haz una copia de seguridad en un disco externo.

3. Apagado y gestión de datos

1. Fin del experimento
   1. Cierra completamente la válvula de aguja del cilindro de hidrógeno girándola en sentido horario hasta que se sienta resistencia.
   2. Desconecta la unidad de encendido de su fuente de alimentación para eliminar la posibilidad de activación accidental.
   3. Ventila el hidrógeno restante del sistema de tuberías abriendo la válvula neumática mediante una señal de disparo manual: revisa la válvula reguladora de presión si la presión baja a 0.
   4. Apaga todo el equipo restante, incluyendo el generador de pulsos, el sistema de adquisición de datos, la cámara de alta velocidad, la iluminación y el compresor de aire.
2. Seguridad tras el experimento
   1. Verifica el cierre de la botella de hidrógeno.
   2. Desconecta todas las fuentes de alimentación y cables.
   3. Asegura el área experimental y documenta cualquier anomalía u observación.

Resultados

El protocolo experimental captura la dinámica clave de las explosiones de hidrógeno, como demuestran las mediciones sincronizadas de vídeo y presión a alta velocidad (véanse las Figuras 4 y 5). En experimentos exitosos, los vídeos a alta velocidad capturan el momento de ignición y la posterior propagación de la llama a través de la geometría del obstáculo, como se ilustra en los fotogramas secuenciales de la Figura 4.

Figura 4: Imágenes de alta velocidad que muestran el frente de llama mientras se propaga a través de la región del obstáculo. Los marcos secuenciales ilustran la ignición, el desarrollo temprano de la llama y la propagación mejorada por turbulencia a través de la geometría del obstáculo. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Por ejemplo, cuando el obstáculo se colocó a 29 cm de la tobera, la llama aceleró rápidamente debido a la turbulencia generada por el obstáculo. Los datos correspondientes del transductor de presión mostraron un pico pronunciado en el momento de ignición, con la presión de explosión observada por primera vez en el sensor P0, alcanzando y avanzando progresivamente aguas abajo en los sensores ( véase la Figura 5). Las curvas de colores corresponden a sensores de presión situados a distancias crecientes de la tobera, y el desplazamiento temporal entre los picos refleja el frente de llama propagándose más allá de cada ubicación del sensor.

Figura 5: Trazas de presión resueltas en el tiempo registradas durante una prueba representativa de explosión de hidrógeno. Las curvas de color corresponden a sensores de presión a distancias crecientes de la tobera, mostrando la secuencia temporal de picos de presión a medida que el frente de llama pasa por cada sensor. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Los parámetros investigados en este protocolo, como la distancia del obstáculo, la ubicación de la ignición y el caudal másico, pueden ajustarse dentro de los rangos probados en este estudio (Figuras 4–5), lo que permite abordar diferentes preguntas de investigación. La investigación puede centrarse en otras variables posibles, como el tamaño, la forma y la configuración del obstáculo, así como el tiempo de retraso. Por ejemplo, se pueden utilizar diferentes disposiciones de obstáculos o posiciones de encendido para centrarse en la generación de turbulencia o la aceleración de la llama bajo condiciones específicas. Como se ilustra en las Figuras 4–5, desplazar la posición de ignición provoca cambios medibles en el desarrollo de la llama y en el momento en que llega el pico de presión a los sensores aguas abajo. Dentro de los rangos examinados, esta adaptabilidad permite aplicar el método a múltiples escenarios de liberación e ignición relevantes para entornos industriales y educativos, reflejando la complejidad de las aplicaciones reales.

Problemas como la exposición inadecuada de la cámara, ruido eléctrico en las mediciones de presión o electrodos de encendido desalineados pueden conducir a registros subóptimos o a datos incompletos (como se observó ocasionalmente durante pruebas preliminares). Por ejemplo, parámetros de cámara mal configurados (por ejemplo, baja tasa de fotogramas o exposición incorrecta) pueden resultar en vídeos borrosos o subexpuestos, mientras que las señales no sincronizadas pueden provocar una captura de datos incompleta. De manera similar, fallos de ignición causados por una colocación incorrecta de la fuente de encendido o por una energía de chispa insuficiente pueden resultar en la falta de inicio de la llama o lecturas de presión inconsistentes. Estos problemas suelen resolverse recalibrando los sensores, reposicionando la fuente de encendido y/o/o puliendo los cables, o comprobando dos veces la configuración de sincronización antes del experimento.

Los experimentos exitosos se caracterizan por imágenes de vídeo claras, grabaciones sincronizadas de presión y secuencias constantes de picos de presión (como se ve en las Figuras 4–5), mientras que problemas como el ruido de la señal o fugas menores pueden reducir la calidad de los datos. La flexibilidad del protocolo para modificar parámetros clave lo convierte en una herramienta versátil para estudiar la dinámica de explosiones de hidrógeno bajo diversas condiciones. Los datos experimentales proporcionan puntos de validación potenciales para modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la ignición por chorro de hidrógeno, especialmente para predecir la aceleración de la llama y la acumulación de presión bajo condiciones variables de obstáculos y confinamientos. Además, los conocimientos obtenidos con este método pueden aplicarse para mejorar el diseño de sistemas de almacenamiento y transporte de hidrógeno más seguros, especialmente en entornos industriales y marítimos, y para apoyar la formación de los estudiantes.

Figura suplementaria 1: Sistema de suministro de hidrógeno. Fotografía del cilindro de hidrógeno, el regulador y la tubería de alta presión utilizados para suministrar la liberación controlada de hidrógeno.Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 2: Sistema de actuación y control neumático. Fotografía que muestra la válvula neumática que controla la liberación de hidrógeno, accionada por una válvula solenoide activada por una señal de voltaje del generador de pulsos. También se pueden ver la manguera de suministro de aire y las conexiones de señal de control. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 1: Plantilla de procedimiento de arranque y apagado. Una lista de comprobación en PDF que detalla los pasos de seguridad y operativos utilizados antes y después de los experimentos con chorros de hidrógeno. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 2: Plantilla de procedimiento experimental. Una plantilla PDF utilizada durante cada experimento para documentar los ajustes de disparo, el tiempo de ignición, las lecturas de presión y los metadatos del experimento. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

La elección del equipo y el diseño del montaje influyen en la precisión y fiabilidad de los datos de llama y presión registrados, en consonancia con las mejores prácticas reportadas en la investigación de explosiones de hidrógeno. Se seleccionó un sensor de presión piezoeléctrico debido a su alta sensibilidad y rápido tiempo de respuesta, esenciales para capturar los rápidos cambios de presión que ocurren durante explosiones de^{hidrógeno 15}. A diferencia de otros sensores de presión, como los sensores piezorresistivos estándar, el Kistler 603B utiliza tecnología piezoeléctrica, lo que lo hace muy adecuado para mediciones dinámicas de presión en experimentos que involucran fenómenos transitorios, como la propagación de llamas y explosiones.

Se empleó un sistema de adquisición de datos multicanal y alta velocidad debido a su alta resolución y la disponibilidad de múltiples canales sincronizados, que permiten la grabación simultánea de señales de presión y la sincronización con vídeo de alta velocidad. La selección adecuada de tuberías y conexiones es fundamental para manejar las altas presiones de funcionamiento del sistema. La tubería debe estar clasificada para soportar la máxima presión aguas arriba suministrada por el regulador de presión y los transductores, asegurando la integridad estructural durante la liberación de hidrógeno. No utilizar componentes con la clasificación adecuada podría provocar fugas catastróficas o fallos del sistema. La válvula neumática fue elegida por su capacidad de operar rápida y neumáticamente, lo que cumple dos funciones críticas: (1) sincronización de todas las acciones experimentales, incluyendo liberación de hidrógeno y adquisición de datos, y (2) mayor seguridad, ya que la válvula puede controlarse remotamente para minimizar la exposición del operador a los peligros.

Es esencial realizar una prueba de fugas tras montar el sistema, como se recomienda en las directrices de seguridad del^{hidrógeno 16}. Esto garantiza que todas las conexiones sean herméticas, evitando la liberación de hidrógeno no deseada. Se puede aplicar una mezcla sencilla de agua y jabón para platos, o jabón de laboratorio, en los accesorios para detectar fugas formando burbujas. Si se observan burbujas, los accesorios deben apretarse y volver a analizarse hasta que no se detecten fugas. Para la prueba de fuga, la botella de nitrógeno debe reemplazar a la de hidrógeno y elevar gradualmente la presión por encima de la presión de funcionamiento prevista con hidrógeno. Mantener configuraciones de vídeo de alta velocidad consistentes mejora la comparabilidad entre experimentos y la visibilidad del desarrollo temprano de la llama (Figura 4). Mantener una resolución, tasa de fotogramas y ajustes de exposición uniformes en todos los vídeos garantiza un metraje comparable. Esta consistencia simplifica el postprocesamiento y el análisis, facilitando una interpretación precisa de la propagación de la llama y la dinámica de explosiones.

Al estandarizar componentes clave y sincronizar los sistemas de registro, el diseño experimental produce datos reproducibles de presión e imagen bajo las condiciones probadas (Figuras 4–5). Para corregir la precisión del tiempo, la sincronización entre la cámara de alta velocidad, el sistema de adquisición de presión, la válvula neumática y la unidad de encendido se verificó usando disparadores de prueba antes de cada experimento. Aunque puede aparecer un pequeño jitter de temporización, el sistema de disparo utilizado aquí opera en escalas de tiempo submilisegundos, y este nivel de precisión es suficiente para resolver las tendencias de desarrollo de llamas y aumento de presión reportadas en las Figuras 4–5.

En comparación con diagnósticos que se basan únicamente en imágenes Schlieren o fluorescencia inducida por láser planar, este protocolo enfatiza la imagen sincronizada y de alta velocidad de la llama visible y mediciones simultáneas de presión multipunto. Aunque las técnicas de Schlieren y PLIF pueden resolver campos de densidad o concentración con mayor detalle, normalmente requieren configuraciones ópticas más complejas y son menos adecuadas para estudios rutinarios de seguridad en entornos industriales. En cambio, el enfoque combinado de imagen y presión descrito aquí proporciona un marco robusto y relativamente sencillo para identificar regímenes de ignición, aceleración de llamas y severidad de explosión, y genera datos que pueden usarse fácilmente para validar simulaciones computacionales de dinámica de fluidos de liberaciones de hidrógeno.

El protocolo puede ampliarse para estudiar la influencia de geometrías alternativas de obstáculos, como rejillas, placas perforadas o tuberías más complejas, en la aceleración de llamas y la carga de explosión. Trabajos futuros también podrían aplicar el mismo enfoque de medición a recintos parcialmente confinados o ventilados, proporcionando datos para evaluaciones de riesgos en aplicaciones industriales y marítimas de hidrógeno. En un contexto educativo, la metodología puede adaptarse como un ejercicio de laboratorio para formar a los estudiantes en seguridad del hidrógeno, diseño experimental y el uso de diagnósticos de alta velocidad para la investigación en combustión. Además, los datos generados en este estudio —y de cualquier futura expansión de la matriz de parámetros— pueden utilizarse para apoyar la validación del modelo CFD y para examinar la sensibilidad del comportamiento de la explosión a la ubicación de la ignición y la composición local de la mezcla hidrógeno-aire. Esto pone de manifiesto la idoneidad del método no solo para demostrar casos específicos, sino también para informar análisis relevantes para la seguridad cuando se exploran conjuntos de parámetros más amplios.

Los problemas comunes que se encuentran con este protocolo incluyen fallos de ignición, visualización incompleta de la llama y señales de presión ruidosas. Si no ocurre encendido, verificar la chispa (aproximadamente 1–3 mm), comprobar las conexiones eléctricas de la unidad de encendido y confirmar que los electrodos de ignición están completamente inmersos en la parte inflamable de la nube de hidrógeno-aire. Si el fotograma grabado está subexpuesto o desenfocado, aumenta ligeramente el tiempo de exposición de la cámara, ajusta la apertura del objetivo o aumenta la iluminación exterior manteniendo la tasa de fotogramas deseada. Las pistas de presión ruidosas a menudo pueden mitigarse mejorando la puesta a tierra eléctrica, acortando cables sensores o aplicando un filtrado digital adecuado durante el postprocesado. El protocolo puede adaptarse a disposiciones alternativas de obstáculos o diámetros de toberas recalibrando los sensores de presión y restableciendo envolturas de funcionamiento seguras para la presión y las duraciones de liberación.

Este protocolo se limita a liberaciones en atmósfera abierta y escenarios de ignición, y no representa explosiones de hidrógeno confinadas o semiconfinadas. El uso de un solo diámetro de tobera y un rango específico de presiones de alimentación limita la aplicabilidad directa de los resultados a otras geometrías y condiciones de funcionamiento. Además, el campo de concentración del chorro de hidrógeno no se mide directamente; en su lugar, se estima usando un modelo de tobera nocional, que introduce incertidumbre en la relación de equivalencia local en el punto de ignición.

Una fuente adicional de incertidumbre surge del hecho de que el modelo de tobera nocional y los contornos de concentración basados en la literatura se derivan para chorros libres y sin obstrucciones. En los experimentos actuales, el punto de ignición puede situarse aguas arriba del obstáculo, dentro de la matriz de obstáculos o aguas abajo de ella, y se espera que la presencia de obstáculos distorsione el campo de concentración local mediante una mayor sincronización de arrastre, generación de turbulencias y formación de estela. Como resultado, los contornos estimados de concentración no representan con precisión la composición de la mezcla en el lugar de encendido una vez que se introducen obstáculos.

Por esta razón, el contorno de concentración mostrado en la Figura 3 se utiliza únicamente para justificar la selección de distancias de obstáculo—indicando regiones aproximadas ricas en hidrógeno y pobres en hidrógeno en una línea base de chorro libre—y no para cuantificar la fracción local de mezcla durante las pruebas reales. La distribución real de concentraciones cerca de la fuente de encendido sigue siendo desconocida, y esta limitación debe tenerse en cuenta al interpretar el comportamiento de ignición, la aceleración de la llama y las transiciones del régimen de combustión. Los diagnósticos directos de concentraciones (por ejemplo, PLIF, técnicas Raman o muestreo de gases) representan una dirección importante para futuros trabajos que reduzcan esta incertidumbre. Finalmente, la imagen a alta velocidad está restringida por la tasa de fotogramas, resolución y ángulo de visión seleccionados, lo que puede impedir una visualización detallada de estructuras de llamas tridimensionales. Aunque los ensayos repetidos muestran un comportamiento consistente, el número limitado de repeticiones implica que los resultados deben interpretarse como demostraciones metodológicas en lugar de conjuntos de datos promediados estadísticamente. Una cuantificación completa de la incertidumbre requeriría un mayor número de repeticiones, lo cual queda fuera del alcance de este artículo centrado en protocolos.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Pressure transducer	American Sensor Team	AST4000C00250B4I1000	Rango 0–250 bar, 4–20 mA
Pneumatic valve	Swagelock	SC00015-3 F04-N-D-11 A	Máx. presión de funcionamiento 8 bar
Pressure regulator	Swagelock	KPF1PWF8A8P20020	máx. 414 bar
Pressure sensors	Kistler	603B
Pulse generator	Quantum Composers	model 9518
osciloscope / data logger	Pico Technology	PicoScope 4824A
Camera	Photron	FastCam SA-Z 2100K-M-32GB