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Resumen:

En este trabajo se desarrollaron tres modelos matemáticos para estudiar la llama difusiva laminar en mezclas de gas natural, hidrógeno y CO2 extendiendo y aplicando la teoría de Roper. El modelo M1 consiste en la derivación de la ecuación original de Roper descrita en régimen estacionario bidimensional sin convección, mostrando así las ecuaciones teóricas de la longitud de la llama difusiva para quemadores de sección circular, cuadrada y rectangular, y para regímenes donde las llamas son dominadas por el efecto de la cantidad de movimiento, el efecto de la impulsión y el régimen de transición [1-2]. La novedad de esta investigación es desarrollar los modelos M2 y M3, que amplían la teoría original de Roper al derivar soluciones analíticas de la ecuación de difusión de la llama bidimensional y tridimensional con convección en régimen estacionario y transitorio, teniendo en cuenta la velocidad y el coeficiente de difusión espacialmente variable. Las longitudes de llama obtenidas con los modelos M1 y M2 se compararon con el modelo M3 mediante la Diferencia de Porcentaje Relativa (RPD) considerando 5 mezclas de GN-H2-CO2. Además, el modelo M3 fue probado en condiciones transitorias, estudiando los efectos del tiempo y la velocidad sobre la distribución del perfil en la dirección radial para diferentes tiempos, con el fin de comprender mejor el fenómeno de combustión en los gases considerados, lo que no se puede observar con el modelo original M1. Finalmente, se validaron los modelos M2 y M3 con resultados experimentales [3] y otras soluciones analíticas [4-9] mostrando un buen desempeño considerando las características de cada mezcla.

Palabras clave: Hidrogeno, llama difusiva laminar, longitud de la llama, teoría de Roper

Referencias:

   1.    Roper, F. G.: The prediction of laminar jet diffusion flame: part I. theoretical model, Combustion and Flame 29, 219-226 (1977).

   2.    Roper, F. G, Smith, C., Cunningham, A.C.: The prediction of laminar jet diffusion flame: part II.  experimental verification, Combustion and Flame 29, 227-234 (1977).

   3.    Quezada, L.: Experimental study of stability and emission of thermal radiation in non-premixed natural gas flames diluted with CO2, Master Thesis, Federal University of Rio Grande do Sul, RS, Brazil, 148 (2017).

   4.    Li, S. G., Ruan, F., McLaughlin, D.: A space-time accurate method for solving solute transport problems, Water Resources Research 28, 2297-2306 (1992).

   5.    Zoppou, C., Knight, J. H.: Comment on “A space‐time accurate method for solving solute transport problems” by S.G. Li, F. Ruan, and D. McLaughlin, Water Resources Research 30, 3233-3235 (1994).

   6.    Philip, J. R.: Some exact solutions of convection diffusion and diffusion equations Water Resources Research 30, 3545-3551 (1994).  

   7.    Zoppou, C., Knight, J. H.: Analytical solutions for advection and advection-diffusion equations with spatially variable coefficients, Journal of Hydraulic Engineering 123, 144-148 (1997).

   8.    Kumar, A., Kumar, D., Kumar, N.: Analytical solutions of one-dimensional advection-diffusion equation with variable coefficients in a finite domain, Journal of Earth System Science 118, 539-549 (2009).

   9.    Kumbinarasaiah, S., Nirmala, A.: Numerical solution of Advection–Diffusion Equation using Graph theoretic polynomial collocation method, Results in Control and Optimization 12, 100245 (2023).

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