MCI_presentacion Simulacion Teorica

7/25/2019 MCI_presentacion Simulacion Teorica

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Simulacin numricaModelo terico de TTF

Optimizacin termodinmicaVariabilidad ciclo a ciclo

Resumen

Simulacin numrica y modelizacinterica de un ciclo tipo Otto

irreversible

Dr. Ing. Pedro L. Curto-Risso

22 de abril de 2015

Pedro Curto-Risso
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Resumen

Esquema

1 Simulacin numrica de un motormonocilndrico de encendido por chispa

Descripcin bsicaDescripcin mecnica

Descripcin termodinmicaModelo de combustinValidacin

2 Modelo terico de TTFComparacin de los resultados tericos y de simulacin

3 Optimizacin termodinmica

4 Variabilidad ciclo a ciclo

5 Resumen

Pedro Curto-Risso
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Resumen

Descripcin bsicaModelo de combustinValidacin

Esquema


Descripcin bsicaDescripcin mecnica

Descripcin termodinmica

Modelo de combustinValidacin

2

Modelo terico de TTF3 Optimizacin termodinmica


Pedro Curto-Risso
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Resumen


Descripcin bsica del sistema

Descripcin

Cilindro Vlvulas

Pistn

Biela

Cigeal

ProcesosAdmisin: entrada degases al sistema (sist.

abierto).Compresin:compresinde gases (sist. cerrado).

Expansin: despus de la

combustin, expansinde gases (sist. cerrado).

Escape: expulsin degases a la atmsfera(sist. abierto).

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Resumen


Ecuacin mecnica

Descripcin

pms

pmi

a

F

F

a

a

Ffric

Fgas

= a1(FgasFfric)amp1(a2 2g)Mext

I+a2mp21

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S l
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Resumen


Ecuaciones termodinmicas

Se considera el interior del cilindro como volumen de control. Para lacombustin se utiliza un modelo de dos zonas, diferenciando entre el volumende control de los gases sin quemar, uy los gases quemados, b(separados porun frente de llama adiabtico de volumen despreciable).

Cuando no hay combustin

T =Q+ madmhadm+ meschesc muhu mbhb+ Vp

mucp,u+ mbcp,b(1)

p=pmuu

+ mbb V

+

Q+ madmhadm+ meschesc muhu mbhb

V(1)(2)

con = VVuCp,u

Ru +

VbCp,bRb

.

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Si l i i
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Resumen


Ecuaciones termodinmicas

Ecuaciones durante el perodo de combustin

Para los gases sin quemar

Tu=Qu+ Vup

mucp,u(3)

Para los gases quemados

Tb= Qb+ mb(hu hb) + Vbp

mbcp,b(4)

Ecuacin de la presin para ambos gases

p=pmbb

+ muu V

+QuRucp,u

+

Qb+ mb(hu hb) Rbcp,b

V VuRucp,u

VbRbcp,b

(5)

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Si l i i
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Resumen


Modelo de combustin cuasi-dimensional

Modelo de combustin

Modelo turbulento cuasi-dimensional: durante la propagacin de la llama no toda lamasa dentro del frente de llama (considerado esfrico) est quemada, sino que, debidoa los vrtices en el fluido, existen pequeos volmenes de longitud caracterstica, lt, degases sin quemar.

Ecuaciones

mb=AfuSl+memb

b(6)

me= Afuut

1e tb+Sl

(7)

con Afrea del frente de llama, udensidad de losgases sin quemar, ut velocidad caracterstica, Slvelocidad laminar del frente de llama y b= lt/Sltiempo caracterstico .

Blizard, 1974, SAE (740191) y Beretta y otros, 1983, Combustion & Flam e(52)217

Pedro Curto-Risso

Simulacin numrica
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Resumen


Modelo cuasi-dimensional

Modelo de combustinModelo turbulento cuasi-dimensionalpropuesto por Blizard y Keck (Keck,1982, Blizard, 1974) y mejorado por Beretta y otros (Beretta, 1983): durante lapropagacin de la llama no toda la masa dentro del frente de llama

(considerado esfrico) est quemada, sino que, debido a los vrtices en el fluido,existen pequeos volmenes de longitud caracterstica, lt, de gases sin quemar.

Ecuacin

mb=AfuSl+memb

b(8)

me=Afu

ut

1 et/b

+ Sl

(9)

con Afrea del frente de llama, udensidad de los gases sin quemar, utvelocidad caracterstica, Slvelocidad laminar del frente de llama y b=lt/Sltiempo caracterstico .

Pedro Curto-Risso

Simulacin numrica
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Resumen


Modelo cuasi-dimensional

Velocidad del frente de llamaLa velocidad del frente de llama laminar Slse obtiene a partir de un valor dereferencia a unas condiciones de temperatura y presin determinadas (Tref, pref)

Sl=SL,0

Tu

Tref

ppref

1 2,06y0,77r

(10)

donde yrcorresponde a la fraccin molar de los gases residuales en la mezcla degases sin quemar. Los valores de los exponentes y dependenfenomenolgicamente del fuel ratio.

= 2,18 0,8 ( 1) (11)

= 0,16+0,22 ( 1) (12)

SL,0 =Bm+B( m)2 (13)

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Simulacin numrica
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Resumen


Clculo de la velocidad de combustin

Para resolver las ecuaciones diferenciales es necesario determinar lt, ut y Af.

rea del frente de llama

Afse calcula considerando una propagacin esfrica en una cmara de combustincilndrica (Af depende del centro del frente de llama, Rc), a travs del volumen del

frente de llama,V

f (Bayraktar, 2003):

Vf =Vb+memb

u(14)

lt y utse suelen calcular mediante correlaciones empricas:

lt=0,8lv,max(i/u)3/4 (15) ut=0,08ui(u/i)

1/2 (16)

ies la densidad de la mezcla fresca a condiciones de ambiente, lv,max la mximaapertura de la vlvula de admisin y ui la velocidad promedio a la entrada.

Bayraktar, 2003, Energy Sources (25)439

Beretta, 1983, Combustion & Flame (52)217

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Simulacin numrica
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Resumen


Consideraciones e hiptesis para validar el

modeloHiptesis

Propiedades homogneas en cada volumen de control

Cuando las vlvulas estn cerradas, el sistema es hermticoRelacin de equivalencia de combustible y aire es constante

Consideraciones importantes

Para los flujos de la admisin y el escape se utiliza un modelo de flujo a

travs de un orificioEl flujo de calor se obtiene mediante la ecuacin de Woschni (1967)

Se utiliza iso-octano, C8H18 como combustible

Se resuelve la reaccin qumica, utilizando la subrutina desarrollada porFerguson (1986) (pero incluyendo los gases residuales en los reactivos)

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Simulacin numrica
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Modelo terico de TTFOptimizacin termodinmica

Variabilidad ciclo a cicloResumen


Validacin numrica

Contraste de los resultados numricos con los datos experimentalesde Beretta.

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Simulacin numrica
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Validacin numrica

Contraste de los resultados numricos con los datos experimentalesde Beretta.

Beretta y otros, 1983, Combustion & Flame (52)217

Demostracin del simulador

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Simulacin numrica
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_1/home/pedro/Escritorio/Tesis_2/Presentacion/dist/launch.htmlhttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_1/home/pedro/Escritorio/Tesis_2/Presentacion/dist/launch.htmlhttp://find/http://goback/


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Comparacin: resultados tericos y simulacin

Esquema


2 Modelo terico de TTFComparacin de los resultados tericos y de simulacin



5 Resumen

Pedro Curto-Risso

Simulacin numricaM d l i d TTF
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Modelo terico de TTF

|Wrev|= |Q23| |Q41| (17)

=T3 Cv,23

1r121

Cv,41

r134

=

|Wrev|

|Q23| =1

Cv,41r134

Cv,23(r112 )

r112 (18)

Fuentes de irreversibilidad

Irreversibilidades internas

Prdidas de calor

Prdidas por friccin

Angulo-Brown y otros (1994, 1996, 1999), Calvo Hernndez y otros (1995, 1996, 1998) y Curto-Risso y otros(2008, 2009)

Pedro Curto-Risso

Simulacin numricaM d l t i d TTF
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Considerando irreversibilidades

Trabajo irreversible

|W|= |WI| |Wfric| |WQ| (19)

Trabajo con irreversibilidades internas (IR|QH|TH

|QC|TC

=0)

|WI|= T3Cv,23

1ru,121

IRCv,41

r1b,34

(20)

Prdida de trabajo debida a la transferencia de calor

|WQ|=hBtT3

16B+ V0

Ap(1+r)1+r1 2 Tw

T3 (21)

Prdida de trabajo debida a la fuerza de rozamiento (1 =1())

|Wfric|= aV0(r1)

2Ap

40

21d (22)

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Resultados tericos y simulados

Clculo de Py

P=|W|/tciclo (23)

= |W|

Cv,23T3(1ru,121)(24)

T3 en la simulacin se calcula apartir de la temperatura de llama,mediante una compresin adiabticade los gases desde una temperatura

T1 (T en el pmi). T3 en la TTF esdato.

El trabajo |W| en la simulacin secalcula integrando en el ciclo: pdV yFfric/ApdV. En TTF es el trabajoirreversible

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Temperaturas y masas

Ajuste polinmico sobre los resultados de la simulacin

Temperaturas Masa

T1 vara aproximadamente un 20%, T3 vara aproximadamente un 7% y elmximo valor de m representa casi dos veces la masa a la mxima velocidad

Pedro Curto-Risso

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Parmetros de irreversibilidad

Ajuste polinmico sobre los resultados de la simulacin

Irreversibilidad internaFactor de irr. asociadoa la transferencia decalor

A moderadas velocidades ambos presentan un comportamiento parablico conconcavidad diferente, el mximo y el mnimo se encuentran a velocidades muy

cercanas.Pedro Curto-Risso

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Resultados con ajustes polinmicos

Comparacin con el diagrama Pajustado

Se observa como el modelo terico reproduce cuantitativamente los resultados

de la simulacin.Pedro Curto-Risso

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Resumen

Esquema


2 Modelo terico de TTF



5 Resumen

Pedro Curto-Risso

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Resumen

Optimizacin mediante herramientas de TTF

A los resultados de simulacin le aplicaremos las tcnicas usuales de TTF conel objetivo de obtener valores ptimos

En las mquinas de potencia variable, el criterio de optimizacin difiere de losutilizados habitualmente en TTF.

Criterio de optimizacin

En este trabajo consideramos como criterio de optimizacin el valor de

rendimiento ms alto alcanzable para cada nivel de potencia en que se trabaja

Pedro Curto-Risso

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Resumen

Optimizacin mediante herramientas de TTF

De todos los parmetros suceptibles de analizar para optimizar el motor,mencionaremos los ms significativos:

Resultados ms destacados

Relacin carrera-dimetro (Rsb)

Relacin de compresin (r)

Avance del encendido (0)

Razn de equivalencia de combustible y aire ()

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O d
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Resumen

Relacin carrera-dimetro

La relacin carrera-dimetro es el cociente entre la carrera delpistn, 2a, y su dimetro, B: Rsb=2a/B

Cambiamos la relacin entre ay Bmanteniendo constante elmximo valor de la cmara, Vcyl, y la relacin de compresin, r, atravs de las siguientes ecuaciones:

B=

4 (r1)Vcyl

rRsb

1/3

(25)

a=

(r1)Vcyl

2r

1/3

R2/3sb

(26)

Pedro Curto-Risso


O ti i i t di i
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Resumen

Relacin carrera-dimetro

Graficamos los pares (P,) obtenidos cuando cambiamos lavelocidad,.

Diagrama P Los valores extremos

de Rsb presentanmenores potencias yrendimientos paratodo el intervalo develocidades.

Desde la curvainterna a la externa elrendimiento mximose incrementa en un7 % y la potenciamximaenun18 %.

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Optimizacin termodinmica
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Resumen

Relacin de compresin

La relacin de compresin, r, refleja la relacin entre el mximo yel mnimo volumen de la cmara de combustin.

Nuevamente, cambiamos rmanteniendo constante Rsb y Vcylutilizando las ecuaciones (25) y (26)

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Resumen

Relacin de compresin

Diagrama P

Como es de esperar,tanto la potenciacomo el rendimientocrecen con r. De

r=6 a 10 la potenciamxima crece un76 % y el rendimientomximo 25 %.

Con altos r seobtienen mejores

resultados, el lmite esla autoignicin.

A bajos , pequeosrmuestran mejoresresultados.

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Resumen

Parmetros de funcionamiento

De todos los parmetros suceptibles de analizar para optimizar el

motor, mencionaremos los ms significativos:Resultados ms destacados

Avance del encendido (0)

Razn de equivalencia de combustible y aire ()

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Resumen

Avance del encendido

Avance del encendido: ngulo en que se produce la chispa en la buja (inicio de

la combustin).

Evolucin de la potencia y el rendimiento para diferentes ngulosde ignicin

Potencia Rendimiento

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OpVariabilidad ciclo a ciclo

Resumen

Diagramas P para el avance de encendido

Evolucin de la potencia y elrendimiento

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pVariabilidad ciclo a ciclo

Resumen



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Optimizacin termodinmicaV i bilid d i l i l
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Optimizacin termodinmicaV i bilid d i l i l
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Prdidas de trabajo en funcin de la

velocidadPrdidas de trabajo segn lairreversibilidad

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Simulacin numricaModelo terico de TTFOptimizacin termodinmica

Variabilidad ciclo a ciclo
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Razn de equivalencia de combustible y aire

Qu sucede cundo no se aprecia claramente un ptimo en lapotencia o el rendimiento?

Potencia Rendimiento

Veamos qu sucede en el diagrama P

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Diagramas P para el fuel ratio


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Resumen



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Resumen



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Resumen



Pedro Curto-Risso


Variabilidad ciclo a cicloR
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Resumen



Queda claro que es el diagrama P una herramientageneralque

permite aplicar el criterio de optimizacin mencionadoPedro Curto-Risso


Variabilidad ciclo a cicloR
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Resumen

Prdidas de trabajo en funcin de la

velocidadPrdidas de trabajo segn lairreversibilidad

Pedro Curto-Risso


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Resumen

Pasos de Optimizacin


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Resumen



Pedro Curto-Risso


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Resumen



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Resumen

Esquema





5 Resumen

Pedro Curto-Risso


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Con la base del modelo determinista presentado anteriormenteintentaremos reproducir y explicar la variabilidad ciclo a ciclo

(VCC), observada en los motores de combustin interna.

ProcedimientoIdentificaremos las principales causas de la variabilidad yajustaremos los parmetros necesarios para que el modeloreproduzca los resultados experimentales

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Variabilidad, resultados experimentales

Posibles causas de la variacin ciclo a ciclo

Movimiento turbulento del gas

Variacin en la composicin de la mezcla de gases

Variacin en la carga de combustible en cada ciclo

No homogeneidad en la mezcla

Caractersticas en la descarga de la chispa

(a) John B. Heywood (1988) (b) C.S. Daw, 1998, Physical Review E (57)3

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Calor liberado

Utilizamos el calor liberado Qrcomo variable de inters

Calor liberadoSe calcula el calor liberado a partir del primer principio de la

termodinmica:Qr =dU+W+Ql (27)

U=mucv,uTu+mbcv,bTb

W=pdV

Ql=Ql,u+ Ql,b

Pedro Curto-Risso


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Serie temporal del calor liberado

Calor liberado, Qr, determinista

Tomando la geometra y los parmetros de funcionamiento de Beretta (1983), parauna velocidadfijade 109rad/s.

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Modelo estocstico

ProcedimientoSe analizan tres parmetros bsicos de la combustin que varan ciclo a ciclo:

longitud caracterstica, lt.

velocidad caracterstica, ut.

posicin del centro del frente de llama con respecto al eje del cilindro, Rc.

Ajuste

Hemos ajustado los resultados experimentales de Beretta (1983) para lt,considerndola como una variable aleatoria con una distribucin deprobabilidades log-normal, LogN(loglt, loglt).

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Resumen
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Serie temporal del calor liberado

Calor liberado, Qr, determinista y estocstico

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Series temporales del calor liberado

Evolucin de Qrpara diferentes

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Mapa de retorno

Mapa de retorno para el calor liberado

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Mapa de retorno

Mapa de retorno para el calor liberado

La incorporacin de un modelo estocstico para lt reproduce los resultadosPedro Curto-Risso



Resumen
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Diagrama de bifurcacin

Diagrama de bifurcacin determinista

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Diagrama de bifurcacin

Diagrama de bifurcacin determinista y estocstico

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Mapa de retorno

Mapa de retorno para el calor liberado considerando el efecto de lt, ut y Rcindependientes y su comparacin cuando se considera nicamente lt y ut.

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Consideraciones de VCC en la optimizacin

Efecto en la potencia y el rendimiento

Pedro Curto-Risso



Resumen
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Consideraciones de VCC en la optimizacin

Efecto en la potencia y el rendimiento

Pedro Curto-Risso

Simulacin numrica



E
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Esquema




4

Variabilidad ciclo a ciclo5 Resumen

Pedro Curto-Risso

Simulacin numrica



R
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Resumen

Principales conclusiones

Vimos el desarrollo y la validacin de un modelo numrico de un motormonocilndrico de encendido por chispa.

Optimizamos los principales parmetros de diseo y de funcionamiento deun motor, obtenidos de la simulacin segn un criterio de optimizacinpara mquinas de potencia variable.

Analizamos el comportamiento de la variabilidad ciclo a ciclo y susposibles causas. Observamos que hay dos parmetros fundamentales en

ese comportamiento, que modificando adecuadamente, permiten almodelo reproducir cuantitativamente los resultados experimentales.

Pedro Curto-Risso

Simulacin numrica



R
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Resumen






Pedro Curto-Risso

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R s
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Resumen






Pedro Curto-Risso

Simulacin numrica


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FIN

Gracias por su atencin

Pedro Curto-Risso
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