Estudo teórico da chama laminar não pré-misturada em misturas de gás natural e hidrogênio - Mariños Rosado, Diego Jhovanny [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
O estudo da chama não pré-misturada é um tema de pesquisa atual devido a sua aplicação em equipamentos industriais e domésticos, considerando o comprimento da chama importante e relevante no projeto seguro e eficiente do queimador e instalações do sistema. Nesse sentido, o objetivo desta pesquisa é caracterizar teoricamente a chama laminar não pré-misturada envolvendo misturas de gás natural enriquecido com hidrogênio. A caracterização é realizada através da dedução de três modelos matemáticos. O primeiro modelo teórico deduz a equação da chama bidimensional em regime permanente sem convecção para chamas laminares não prémisturadas (teoria de Roper) e referido como M1. Este modelo demonstra as equações teóricas do comprimento da chama não pré-misturada para queimadores de seções circular, quadrada e retangular, e regimes de potência onde as chamas são dominadas pelo efeito da quantidade de movimento, efeito da impulsão e em regime de transição. Os modelos teóricos M2 e M3 estendem a teoria original de Roper, desenvolvendo as deduções da equação da chama bidimensional e tridimensional em regime permanente e transiente com convecção, fornecendo novas equações de concentração para a chama laminar não pré-misturada. Os comprimentos das chamas obtidos dos modelos M1 e M2 foram comparados com o modelo M3 através da Diferença Percentual Relativa (DPR) considerando 5 misturas GN-H2-CO2. Evidencia-se que para t=0,1 s, a DPR máxima na seção circular para M1 foi em Gas20:60%GN-25%H2-15%CO2 com 14,75%, enquanto para M2 foi em Gas14:70%GN-15%H2-15%CO2 com 6,47%, e a DPR mínima foi em Gas1:100%GN com 9,78% e 4,83% para M1 e M2, respectivamente. A mesma análise foi desenvolvida para as seções quadrada e retangular, mostrando boa concordância. O modelo M3 foi testado na condição transiente, avaliando os efeitos do tempo e da velocidade na distribuição do perfil de concentração na direção radial para entender melhor o fenômeno da chama nos gases considerados. Finalmente, os modelos M2 e M3 foram validados com resultados experimentais e outras soluções analíticas mostrando um bom desempenho considerando as características de cada mistura.

The study of the non-premixed flame is a topic of current research due to its application in industrial and domestic equipment, considering the length of the flame as important and relevant in the safe and efficient design of the burner and system installations. In this sense, the objective of this research is to theoretically characterize the non-premixed laminar flame involving mixtures of natural gas enriched with hydrogen. The characterization is carried out through the deduction of three mathematical models. The first theoretical model derives the two-dimensional flame equation in steady state without convection for non-premixed laminar flames (Roper theory) and referred to as M1. This model demonstrates the theoretical equations of non-premixed flame length for burners with circular, square and rectangular sections, and power regimes where the flames are dominated by momentum effect, buoyancy effect and in transition regime. Theoretical models M2 and M3 extend Roper's original theory by developing the deductions of the two-dimensional and three-dimensional flame equation in steady and transient state with convection providing new concentration equations for the non-premixed laminar flame. The flame lengths obtained from the M1 and M2 models were compared with the M3 model through the Relative Percentage Difference (RPD) considering 5 NG-H2-CO2 mixtures. It is evident that for t=0.1 s, the maximum RPD in the circular cross-section for M1 was in Gas20:60%NG-25%H2-15%CO2 with 14.75%, while for M2 it was in Gas14:70%NG15%H2-15%CO2 with 6.47%, and the minimum RPD was in Gas1:100%NG with 9.78% and 4.83% for M1 and M2, respectively. The same analysis was performed for the square and rectangular cross-sections, showing good agreement. The M3 model was tested in the transient condition, evaluating the effects of time and velocity on the distribution of the concentration profile in the radial direction to better understand the flame phenomenon in the considered gases. Finally, the models M2 and M3 were validated with experimental results and other analytical solutions showing a good performance considering the characteristics of each mixture.
Estudo teórico da chama laminar não pré-misturada em misturas de gás natural e hidrogênio
Keywords: Chama não pré-misturada; Chama laminar; Comprimento de chama; Hidrogênio; Teoria de Roper; Non-premixed flame; Laminar flame; Flame length; Hydrogen; Roper's Theory; Chama (Combustão); Energia - Fontes alternativas; Hidrogênio como combustível