El proceso de combustión es una de las fuentes principales de ruido de los motores Diesel, debido al incremento brusco de la presión que provoca el autoencendido en la cámara de combustión. Este rápido incremento origina un proceso de oscilación de los gases quemados en la cámara de combustión, conocido como fenómeno de resonancia, que se transmite a través del bloque, empeorando la calidad acústica del motor. Existen numerosos procedimientos experimentales, orientados al estudio del ruido provocado por el proceso de combustión de motores Diesel. Sin embargo, su aplicación en el diseño de cámaras de combustión no es idónea, por el coste que supone realizar los prototipos, el montaje y las medidas. Frente a los métodos experimentales, los métodos teóricos son más rápidos y tienen la capacidad de obtener gran cantidad de información espacial y temporal del fenómeno de resonancia. Se emplean principalmente el método de la teoría modal y el método CFD (Computational Fluid Dynamics). El primero permite estimar el comportamiento de los modos de oscilación, pero su uso se limita a cámaras de combustión de geometría cilíndrica. En cuanto al método CFD, puede utilizarse en cámaras de cualquier geometría, sin embargo la predicción de los efectos locales de presión, estimados por los modelos de combustión, no es coherentes con los niveles de oscilación del autoencendido. La presente tesis contribuye al desarrollo de una metodología que mejore los métodos teórico-numéricos, superando sus limitaciones geométricas y predictivas. Esta metodología consiste en simular las condiciones termodinámicas del autoencendido, a partir de focos de presión y temperatura en instante temporal, sin considerar el proceso reactivo de la mezcla aire-combustible. En la primera parte de esta tesis, con la finalidad de simplificar las simulaciones se asume que el proceso de combustión se produce en el punto muerto superior, sin considerar el movimiento del pistón. En base a esta suposición, se estu / Donayre Ramírez, JC. (2012). Estudio CFD de la resonancia en la cámara de combustión de Motores Diesel HDI [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18292

Deponierte Abfälle emittieren auch Dekaden nach dem Ende der Einlagerung am Standort eine Vielzahl von Schadstoffen. Durch verantwortungsvollen Aufbau und Betrieb oder eine nachträgliche Sanierung kann das Gewicht von unkontrollierten Emissionen hin zu kontrollierten verschoben werden, die wiederum einer entsprechenden Entsorgung zugeführt werden können. Neben dem Deponiesickerwasser spielt das Deponiegas mit den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid auf Grund des lokalen und globalen (anthropogener Treibhauseffekt) Gefährdungspotentials eine wichtige Rolle. Sowohl die Gasmenge als auch der Gehalt an brennbaren Methan verringern sich mit zunehmender Standzeit der Deponie. Für Stark- und Mittelgase (ca. 25-60 Vol.-% Methan) ist eine entsprechende Nutzungs- und Entsorgungstechnik etabliert. Für den Schwachgasbereich ist die Entsorgung durch Verbrennung auf Grund der schlechten Verbrennungseigenschaften problematisch. Es existieren einige Lösungsansätze, von denen sich jedoch angesichts verschiedener technologiebedingter Nachteile noch keiner für die Schwachgasentsorgung über den gesamten relevanten Bereich an Methangehalten etablieren konnte. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen neuen Ansatz für eine einfache, kostengünstige und robuste Technologie zu erarbeiten, die eine vollständige Eliminierung des Methans und weiterer schädlicher Bestandteile gewährleistet. Im Weiteren sollen Methangehalte im Deponiegas von 5-11 Vol.-% bzw. Modellgemische mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,3-0,5 betrachtet werden. Dieser Bereich erweist sich als besonders problematisch hinsichtlich einer stabilen Entsorgung. Bei Grubengasen und methanbeladener Abluft sind unter Umständen ähnliche Fragestellungen anzutreffen. Neben experimentellen Arbeiten in Labor und Technikum liefern vor allem numerische Simulationen einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Durchdringung der ablaufenden Prozesse und der Vorausberechnung technischen Reaktoren und Brennern. Für hier behandelte Problemstellung bietet sich die Software Ansys Fluent® an. Für die Entsorgung von Schwachgasen bieten sich mehrere grundsätzliche Herangehensweisen an. Für diese Arbeit wurde sich auf die Oxidation des Methans in porösen Medien, z.B. Füllkörperschüttungen oder offenzellige SiC-Schaumkeramiken, konzentriert. In einem ersten Ansatz wurde eine katalytische Funktionalisierung von SiC-Schaumkeramik mit Manganoxid dotierter Calciumaluminat-Beschichtung durchgeführt, um so die hervorragenden thermischen Eigenschaften des Siliciumcarbids mit der Oxidationsaktivität eines Katalysators zu kombinieren. Nach der Evaluierung einer optimalen hochtemperaturfesten Katalysatorkombination und experimentellen Erarbeitung kinetischer Parameter bilden Modellrechnungen im einfach durchströmten Monolith (1D) die Basis für eine Beurteilung dieser Variante. Der zweite Ansatz verfolgt eine nicht-katalytische, rein thermische Umsetzung des Methans. Eine Verbesserung der Verbrennungseigenschaften durch Vorwärmung des Brenngases erfolgt über interne Rekuperation ohne externen Abgaswärmeübertrager. Auf Basis von theoretischen Überlegungen und Simulationsrechnungen wurde eine entsprechende Technikumsanlage mit einer aus Alumina-Raschig-Ringen bestehenden porösen Matrix entworfen und aufgebaut. Ausgewählte Versuchsreihen dienten zur Demonstration der Funktionalität und zur Validierung des CFD-Modells. Mit Hilfe des Modells sind eine Variation der Eigenschaften der porösen Matrix und ein Upscaling auf einen technischen Maßstab möglich. Die Berechnung des Einsatzbereiches erfolgt beispielhaft mit einem Vorschlag für eine technisch relevante Größe an einem typischen Deponie-Schwachgas. Für die Modellierung von Oxidationsprozessen in porösen Strukturen ist die Implementierung des Wärmetransports ein wesentlicher Baustein. Ein entscheidender Parameter hierin ist die effektive Wärmeleitfähigkeit der porösen Matrix. Insbesondere für keramische Schäume ist die Anzahl der publizierten Arbeiten gering. Durch Vermessung der SiC-Keramikschäume mit Hilfe der Hot-Disk-Methode (Raumtemperatur) und mit dem Plattenmessverfahren (300-1000 °C) konnte auch an dieser Stelle ein Beitrag erbracht werden.

Significant maldistribution negatively influences performance of equipment containing dense tube bundles and, moreover, it can cause a wide range of operating issues. This thesis therefore focuses on analysis of fluid flow in complete distribution systems via computational fluid dynamics (CFD). Data obtained from simulations carried out using the software ANSYS Fluent were also statistically analysed. Influence of system arrangement, tube bundle parameters and operating parameters on flow distribution non-uniformity and pressure drop was investigated. According to the results, system arrangement is the crucial differentiating parameter in terms of flow distribution as well as pressure drop. Additionally, data obtained via the classical CFD approach were compared with those yielded by a simplified CFD model for three selected distribution systems. Simplified CFD approach can - given its low computational demand - be utilised in optimization algorithms as well as in the course of the initial stage of equipment design process. Furthermore, this thesis discusses a simulation tool which is based on the simplified CFD approach. Although this tool is still being developed, the results it yields are very promising.

Tato diplomová práce se zaměřuje na modelování proudění tekutiny v paralelních distribučních systémech, kde hraje důležitou roli rovnoměrnost distribuce tekutin. Pro tento účel je vytvořen vlastní CFD kód. Kód je napsán v programovacím jazyce Java a používá ke zlepšení výkonu knihovny třetích stran, které se vyznačují přímým přístupem ke hardwarovým a systémovým prostředkům. Kód se také vyznačuje určitými zjednodušeními, u nichž se očekává, že sníží výpočetní časy. Vliv použitých zjednodušujících opatření je vyhodnocen porovnáním výsledků simulací proudění na několika geometriích s údaji získanými z podrobných modelů CFD. Geometrie použitých svazků trubek se odlišují různými uspořádáními toku a trubek a také různým počtem trubek.

Computational fluid dynamics and heat transfer (CFD/HT) models have been employed as the dominant technique for the design and optimization of both new and existing data centers. Inviscid modeling has shown great speed advantages over the full Navier-Stokes CFD/HT models (over 20 times faster), but is incapable of capturing the physics in the viscous regions of the domain. A coupled inviscid-viscous solution method (CIVSM) for bounded domains has been developed in order to increase both the solution speed and accuracy of CFD/HT models. The methodology consists of an iterative solution technique that divides the full domain into multiple regions consisting of at least one set of viscous, inviscid, and interface regions. The full steady, Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations with turbulence modeling are used to solve the viscous domain, while the inviscid domain is solved using the Euler equations. By combining the increased speed of the inviscid solver in the inviscid regions, along with the viscous solver’s ability to capture the turbulent flow physics in the viscous regions, a faster and potentially more accurate solution can be obtained for bounded domains that contain inviscid regions which encompass more than half of the domain, such as data centers.

In an attempt to reduce the dependence on fossil fuels, a variety of research initiatives has focused on increasing the efficiency of conventional energy systems. One such approach is to use waste heat recovery to reclaim energy that is typically lost in the form of dissipative heat. An example of such reclamation is the use of waste heat recovery systems that take low-temperature heat and deliver cooling in space-conditioning applications. In this work, an ejector-based chiller driven by waste heat will be studied from the system to component to sub-component levels, with a specific focus on the ejector. The ejector is a passive device used to compress refrigerants in waste heat driven heat pumps without the use of high grade electricity or wear-prone complex moving parts. With such ejectors, the electrical input for the overall system can be reduced or eliminated entirely under certain conditions, and package sizes can be significantly reduced, allowing for a cooling system that can operate in off-grid, mobile, or remote applications. The performance of this system, measured typically as a coefficient of performance, is primarily dependent on the performance of the ejector pump. This work uses analytical and numerical modeling techniques combined with flow visualization to determine the exact mechanisms of ejector operation, and makes suggestions for ejector performance improvement. Specifically, forcing the presence of two-phase flow has been suggested as a potential tool for performance enhancement. This study determines the effect of two-phase flow on momentum transfer characteristics inside the ejector while operating with refrigerants R134a and R245fa. It is found that reducing the superheat at motive nozzle inlet results in a 12-13% increase in COP with a 14-16 K decrease in driving waste heat temperature. The mechanisms of this improvement are found to be a combination of two effects: the choice of operating fluid (wet vs. dry) and the effect of two-phase flow on the effectiveness of momentum transfer. It is recommended that ejector-based chillers be operated such that the motive nozzle inlet is near saturation, and environmentally friendly dry fluids such as R245fa be used to improve performance. This work provides critical methods for ejector modeling and validation through visualization, as well as guidance on measures to improve ejector design with commensurate beneficial effects on cooling system COP.

Les problématiques liées à la gestion de la chaleur sous capot sont importantes lors du développement de nouveaux véhicules terrestres. Jusqu’à maintenant, les approches les plus courantes pour les caractériser et s’assurer du bon comportement des véhicules étaient principalement expérimentales. Les test sont de plus en plus remplacés par des modèles numériques permettant un gain financier et de temps considérable. L’approche numérique est désormais répandue dans l’industrie automobile, et on l’applique ici dans le cas d’une motoneige afin de caractériser son comportement aérothermique, à l’aide de l’outil CFD. L’utilisation du modèle, validé à l’aide d’essais sur le terrain, permet alors l’optimisation des paramètres influençant la gestion thermique, et ainsi l’harmonisation des traitements acoustiques appliqués en vue d’une réduction de bruit tout en respectant les besoins de refroidissement de ces appareils.

La réduction de la traînée aérodynamique des véhicules dans un objectif de diminution de la consommation énergétique est en plein essor aussi bien pour les véhicules électriques que thermiques. Cette étude porte sur un tricycle à motorisation hybride dont la forme et le comportement aérodynamique sont à la frontière entre une motocyclette et une automobile. L'étude s'inspire des avancées scientifiques sur ces deux types de véhicules en matière d'aérodynamique. L'objectif principal est de réduire la traînée aérodynamique du véhicule par des modifications de l'enveloppe externe tout en assurant le refroidissement du moteur thermique et des composants de la chaîne électrique. On développe une optimisation topologique de la position des échangeurs sur le tricycle, on conçoit et fabrique un prototype en fonction des résultats d'optimisation. Ensuite, on valide le prototype par des essais en soufflerie et on caractérise son aérodynamique ainsi que la sensibilité de la traînée du véhicule suivant des paramètres comme la vitesse, l'angle de lacet, etc. En n, l'étude s'oriente vers une approche d'optimisation globale multidisciplinaire permettant d'atteindre l'objectif principal en fonction des contraintes ayant trait au projet.

Research focused on the reduction of uncertainties when considering the wind resource in the vicinity of forestry. This thesis examined the use of high density laser scanning technology to capture the structure of forest canopies along with the measurement of thermal effects using sonic anemometry. Methodologies were then developed to include these high quality data in Computational Fluid Dynamics software in order to allow the complex nature of forestry flows to be considered analytically.

Solid-fluid two-phase flows, where the solid volume fraction is large either by geometry or by population (as in slurry flows), are ubiquitous in nature and industry. The interaction between the fluid and the suspended solids, in such flows, are too strongly coupled rendering the assumption of a single-way interaction (flow influences particle motion alone but not vice-versa) invalid and inaccurate. Most commercial flow solvers do not account for twoway interactions between fluid and immersed solids. The current state-of-art is restricted to two-way coupling between spherical particles (of very small diameters, such that the particlediameter to the characteristic flow domain length scale ratio is less than 0.01) and flow. These solvers are not suitable for solving several industrial slurry flow problems such as those of hydrates which is crucial to the oil-gas industry and rheology of slurries, flows in highly constrained geometries like microchannels or sessile drops that are laden with micro-PIV beads at concentrations significant for two-way interactions to become prominent. It is therefore necessary to develop direct numerical simulation flow solvers employing rigorous two-way coupling in order to accurately characterise the flow profiles between large immersed solids and fluid. It is necessary that such a solution takes into account the full 3D governing equations of flow (Navier-Stokes and continuity equations), solid translation (Newton’s second law) and solid rotation (equation of angular momentum) while simultaneously enabling interaction at every time step between the forces in the fluid and solid domains. This thesis concerns with development and rigorous validation of a 3D solid-fluid solver based on a novel variant of immersed-boundary method (IBM). The solver takes into account full two-way fluid-solid interaction with 6 degrees-of-freedom (6DOF). The solid motion solver is seamlessly integrated into the Gerris flow solver hence called Gerris Immersed Solid Solver (GISS). The IBM developed treats both fluid and solid in the manner of “fluid fraction” such that any number of immersed solids of arbitrary geometry can be realised. Our IBM method also allows transient local mesh adaption in the fluid domain around the moving solid boundary, thereby avoiding problems caused by the mesh skewness (as seen in common mesh-adaption algorithms) and significantly improves the simulation efficiency. The solver is rigorously validated at levels of increasing complexity against theory and experiment at low to moderate flow Reynolds number. At low Reynolds numbers (Re 1) these include: the drag force and terminal settling velocities of spherical bodies (validating translational degrees of freedom), Jeffrey’s orbits tracked by elliptical solids under shear flow (validating rotational and translational degrees of freedom) and hydrodynamic interaction between a solid and wall. Studies are also carried out to understand hydrodynamic interaction between multiple solid bodies under shear flow. It is found that initial distance between bodies is crucial towards the nature of hydrodynamic interaction between them: at a distance smaller than a critical value the solid bodies cluster together (hydrodynamic attraction) and at a distance greater than this value the solid bodies travel away from each other (hydrodynamic repulsion). At moderately high flow rates (Re O(100)), the solver is validated against migratory motion of an eccentrically placed solid sphere in Poisuelle flow. Under inviscid conditions (at very high Reynolds number) the solver is validated against chaotic motion of an asymmetric solid body. These validations not only give us confidence but also demonstrate the versatility of the GISS towards tackling complex solid-fluid flows. This work demonstrates the first important step towards ultra-high resolution direct numerical simulations of solid-fluid flows. The GISS will be available as opensource code from February 2015.