La finalidad de esta tesis es la obtención de las distribuciones de velocidades, presiones y temperaturas en la convección forzada de flujos compresibles en situaciones bidimensionales y de estabilización. Es a partir de estos valores que se determina la fricción y la transferencia de calor entre el fluido y el contorno o canalización.La tesis consta de cinco capítulos. En el primero, de carácter introductorio, se plantea la problemática de resolución de las ecuaciones que describen el comportamiento del flujo. Se analizan dos niveles de modelización. De una parte, y en base al concepto de capa límite introducido por L. Prandtl, se divide el dominio por el que circula el flujo en dos zonas: unas delgadas regiones próximas a los contornos sólidos en los que la fricción y la transferencia de calor son factores condicionantes, y el resto del dominio en el que el flujo puede considerarse como no viscoso, pudiéndose despreciar los efectos de la fricción y de la transferencia de calor. En el segundo nivel de modelización se plantea la resolución directa de las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía en todo el dominio.Los capítulos segundo, tercero y cuarto están dedicados al primer nivel de modelización indicado. En el segundo capítulo se resuelve el flujo potencial compresible en base a la discretización del dominio mediante la generación de mallas adaptables a los contornos. Se analizan diferentes criterios de discretización de las ecuaciones siendo los resultados numéricos obtenidos contrastados entre si y con los que se derivan del empleo de mallas de discretización rectangulares. El tercer capítulo trata de la resolución de las capas límites hidrodinámicas y térmicas mediante la integración numérica de la ecuaciones de conservación. Para el análisis de las capas límite turbulentas se ha utilizado los conceptos de viscosidad turbulenta y conductividad térmica turbulenta, empleándose expresiones semiempíricas en la descripción de dichas cantidades. Se estudian diversas situaciones contrastándose los resultados numéricos obtenidos con los que se derivan de estudios experimentales presentados por distintos autores. En el cuarto capítulo se efectúa la resolución conjunta de la zona potencial y de las capas límite en el marco de un algoritmo global de resolución. A modo ilustrativo se ha realizado el estudio del flujo de aire en una tobera o canalización convergente, analizándose aspectos tales como la compresibilidad del flujo y la transferencia de calor entre el fluido y los contornos sólidos limitantes. Los resultados que se derivan de la resolución numérica, supuestos los contornos adiabáticos, son contratados con los obtenidos experimentalmente en esta tesis y en una unidad de soplado del laboratorio. En el quinto y último capítulo se aborda el segundo nivel de modelización arriba indicado, si bien la atención se centra en ecuaciones genéricas del tipo convección-difusión. Así, partiendo de una distribución de velocidades conocida, se realiza la resolución de dicha ecuación en base a la generación de sistemas ortogonales de coordenadas curvilíneas coincidentes con las propias líneas de corriente del flujo. La precisión y zonas de aplicación del método numérico son puestas de manifiesto en situaciones singulares de solución analítica conocida. Los resultados obtenidos son satisfactorios en un amplio rango de números de Peclet, y claramente superiores a los que se derivan del empleo de mallas de discretización rectangulares. / The purpose of this thesis is to obtain velocity, pressure and temperature distributions in compressible flows under steady-state conditions.The thesis has five chapters. The first one introduces the mathematical formulation and two main strategies to solve the governing equations. The first one is based on a zonal model, which solved in a coupled manner the Euler and the boundary layer equations. The second level is based on the resolution of the Navier-Stokes equations in the whole domain.The next three chapters are devoted to the first level of modelization mentioned above. The second chapter solves the Euler equations of the inviscid flow based on the discretization of the domain by means of body-fitted meshes. Numerical solutions are also carefully verificated based on grid refinement techniques. Several numerical criteria for the discretization of the equations are presented and contrasted. The third chapter deals with the numerical integration of the hydrodynamic and thermal boundary layer equations using algebraic turbulence models extended to compressible flows. A study of the different parameters which influence on flow is presented.In the fourth chapter, a coupled procedure of the two zones (inviscid zone and boundary layers) is proposed within the framework of a global algorithm. By way of illustration the study of the compressible flow in a converging channel is carried out. Different aspects related to the compressibility of the flow and the heat transfers exchanged with the solid boundaries are studied. The mathematical model is validated against experimental results obtained in a specially designed set-up.In the fifth and final chapter, the second level of modelization is presented but only the part which refers to generic convection-diffusion equations. Thus, starting from a known velocity distribution, an analysis of different standard numerical schemes is performed together with a proposal of a new scheme to reduce the numerical false diffusion effects.

Les métamatériaux sont définis comme étant des matériaux artificiels présentant des propriétés exotiques qui modifient la propagation des ondes électromagnétiques. À la fin des années 90, Pendry et al. démontrèrent théoriquement qu'il est possible de générer de tels métamatériaux, grâce à des structures particulières au sein du matériau (le fameux "splitring resonator"). Les métamatériaux sont donc structurés à une échelle inférieure à la longueur d'onde incidente, et décrits par une permittivité et une perméabilité effective. En 2000, Smith et al. fabriquèrent le premier métamatériau mais dans la gamme micro-onde. Les perspectives dans le domaine de l'optique (300800 nm) sont très prometteuses, mais le transfert des technologies utilisées en micro-ondes rencontre des obstacles. Un des défis dans le domaine émergent des métamatériaux est d'assembler à grande échelle des nanoparticules NPs (10-50 nm) en des super-réseaux présentant des propriétés collectives. Des nanostructures tridimensionnelles de matériaux nobles, ayant de fortes réponses plasmoniques, peuvent en effet générer des matériaux aux nouvelles propriétés optiques. Cette thèse fait partie du projet européen METACHEM, dont le but est de fabriquer des métamatériaux dans le domaine de l'infrarouge et du visible, en se basant sur l'utilisation de la nanochimie et de l'assemblage de matériaux. Plus précisément, ce travail de thèse se situe à l'interface entre les groupes de chimie qui synthétisent des nanoparticules en dispersion, et les groupes de caractérisation optique des matériaux. Dans ce travail de thèse, nous utilisons une technique originale la microévaporation basée sur les outils microfluidiques, afin de générer de façon contrôlée des assemblées 3D de nanoparticules (dimensions typiques 1 mm10 m 50 m). / 1-Microevaporation - Microfluidics is the branch of fluid mechanics dedicated to the study of flows in the channel withdimensions between 1 micron and 100 micron. The object of this chapter is to illustrate the basicprinciples and possible applications of microfluidic chip, called microevaporator. In the first part ofthe chapter, we present a detailed description of the physics of microevaporators using analyticalarguments, and describe some applications. In the second part of the chapter, we present theexperimental protocol of engineering of micro evaporator and different type of microfluidics device.2- On-chip microspectroscopy - The object of this chapter is to illustrate a method to measure absorption spectra during theprocess of growth of our materials in our microfluidic tools. The aim is to make an opticalcharacterization of our micro materials and to carry-out a spatio-temporal study of kineticproperties of our dispersion under study. This instrumental chapter presents the theoretical basis !of the method we used.3-Role of colloidal stability in the growth of micromaterials - We used combined microspectroscopy and videomicroscopy to follow the nucleation and growth ofmaterials made of core-shell Ag@SiO2 NPs in micro evaporators.!We evidence that the growth is actually not always possible, and instead precipitation may occurduring the concentration process. This event is governed by the concentration of dispersion in thereservoir and we assume that its origin come from ionic species that are concentrated all togetherwith the NPs and may alter the colloidal stability en route towards high concentration. 4-Microfluidic-induced growth and shape-up of three-dimensional extended arrays of denselypacked nano particles - In this chapter I present in details microfluidic evaporation experiments to engineer various denselypacked 3D arrays of NPs.5-Bulk metamaterials assembled by microfluidic evaporation - In this chapter I introduced the technique we used (microspot ellipsometry) in close collaborationswith V.Kravets and A.Grigorenko(University of Manchester) and with A.Aradian, P.Barois, A.Baron,K.Ehrhardt(CRPP, Pessac) to characterized the solids made of densely packed NPs. I describe theconstraints that emerge from the coupling between the small size of our materials and the opticalrequirements, the analysis and interpretation of the ellipsometry experiments show that for thematerial with high volume fraction of metal exists the strong electrical coupling between the NPsand the materials display an extremely high refraction index in the near infra-red regime.

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90° situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures. / This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90º elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:54:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12442.pdf: 17943869 bytes, checksum: d8ae26da3e514d980c366a9cafa81e22 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IEA/D / Instituto de Quimica, Universidade de Sao Paulo - IQ/USP

Orientador: Carlos Alberto Carrasco Altemani / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T09:32:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_ValterCesarde_D.pdf: 4532174 bytes, checksum: 07cf885bb91505cb080fc4a067621191 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Os dissipadores térmicos de placas paralelas com entrada de topo e saída lateral constituem uma alternativa para intensificar a remoção da potência elétrica dissipada em microprocessadores. Neste trabalho, três dissipadores térmicos de placas paralelas foram construídos e testados com escoamento variável de ar sob condições de entrada de topo e saída lateral. Os resultados experimentais foram comparados com correlações da literatura e com resultados de simulações numéricas tridimensionais. Após a validação com os resultados experimentais, o modelo numérico foi utilizado num procedimento para obter o número de aletas do dissipador para a máxima troca térmica convectiva. Dois casos foram considerados, um deles baseado numa velocidade média do ar constante na entrada do dissipador, e o outro, numa relação linear da curva de operação de um ventilador / Abstract: The parallel plates heat sinks with top inlet and side exit constitute an enhanced heat transfer alternative for the local removal of electric power dissipation in microprocessors. In the present work, three parallel plates heat sinks were built and tested with variable airflow under the conditions of top inlet and side exit. The experimental results were compared with correlations from the literature and with results from three-dimensional numerical simulations. After the validation with the experimental results, the numeric model was used in an optimization procedure to obtain the heat sink number of fins for the maximum convective heat transfer. Two cases were considered, one based on a constant average inlet air velocity, and the other, on an assumed linear fan curve / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:54:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12442.pdf: 17943869 bytes, checksum: d8ae26da3e514d980c366a9cafa81e22 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IEA/D / Instituto de Quimica, Universidade de Sao Paulo - IQ/USP

[ES] El transporte por carretera es uno de los sectores que más contribuyen al cambio climático. Por ello, muchos gobernantes a nivel mundial están promoviendo una transición hacia medios de transporte sostenibles que no dependan de combustibles fósiles. Sin embargo, debido a la falta de competitividad de las alternativas actuales, no parece factible, en el corto plazo, reducir significativamente el uso de los motores de combustión. Así pues, es probable que los motores de gasolina (MEP) mantengan su papel dominante en el sector automotriz durante los próximos años. De ahí que sea crucial seguir mejorando estos motores a fin de reducir su huella de carbono. Actualmente, es habitual fabricar motores MEP de pequeña cilindrada ("downsizing") con sistemas de sobrealimentación e inyección directa, a fin de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. Además, en la última década, se ha demostrado que la recirculación de gases de escape (EGR) puede mejorar la eficiencia de los motores MEP entre un 3 % y un 6 %, dependiendo del grado de carga. Como desventaja, para poder extraer todo el potencial de la estrategia EGR, es necesario trabajar con altas tasas de EGR, lo que puede causar ciertos problemas en condiciones transitorias. En esta tesis, se ha demostrado que el uso de altas tasas de EGR a través de sistemas de baja presión en motores MEP turboalimentados puede ralentizar la respuesta del motor y provocar fallos de encendido durante maniobras de aceleración y desaceleración, respectivamente. Con la entrada en vigor de nuevos procedimientos de homologación de vehículos, como el WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure), donde las operaciones transitorias tienen un peso importante, los fabricantes buscan que sus motores consuman y emitan menos en un amplio rango de condiciones de operación, tanto estacionarias como transitorias. Por ello, el objetivo principal de esta tesis es analizar y optimizar el funcionamiento, en condiciones transitorias, de los motores MEP que operan con altas tasas de EGR. Para ello, se ha empleado un motor de gasolina (Euro 6) de 1.3l turboalimentado con inyección directa, distribución variable y turbina de geometría variable. Se ha desarrollado un modelo unidimensional (1D) del motor para el estudio de la fluidodinámica y los fenómenos de transporte en su interior. Por otro lado, se ha ensayado el motor para calibrar el modelo 1D y evaluar aspectos difícilmente predecibles con dicho modelo, como las emisiones contaminantes y la estabilidad de la combustión. Previo al estudio en condiciones transitorias, el motor fue calibrado con EGR, y se realizaron simulaciones para determinar el consumo de un vehículo convencional y otro híbrido, ambos con EGR, durante un ciclo WLTP. Finalmente, se concluyó que ciertas estrategias orientadas a mejorar el proceso de renovación de la carga pueden resolver la problemática del uso del EGR en condiciones transitorias. Eso sí, implementar dichas estrategias conllevaría un aumento en complejidad y costes. / [CA] El transport per carretera és un dels sectors que més contribueixen al canvi climàtic. Per això, molts governants a nivell mundial estan promovent una transició cap a mitjans de transport sostenibles que no depenguen de combustibles fòssils. No obstant això, a causa de la falta de competitivitat de les alternatives actuals, no sembla factible, en el curt termini, reduir significativament l'ús dels motors de combustió. Així doncs, és probable que els motors de gasolina (MEP) mantinguen el seu paper dominant en el sector automotriu durant els pròxims anys. D'ací ve que siga crucial continuar millorant aquests motors a fi de reduir la seua petjada de carboni. Actualment, és habitual fabricar motors MEP de xicoteta cilindrada ("downsizing") amb sistemes de sobrealimentació i injecció directa, a fi de reduir el consum de combustible i les emissions de CO2. A més, en l'última dècada, s'ha demostrat que la recirculació de gasos d'escapament (EGR) pot millorar l'eficiència dels motors MEP entre un 3% i un 6%, depenent del grau de càrrega. Com a desavantatge, per a poder extraure tot el potencial de l'estratègia EGR, és necessari treballar amb altes taxes de EGR, la qual cosa pot causar uns certs problemes en condicions transitòries. En aquesta tesi, s'ha demostrat que l'ús d'altes taxes de EGR a través de sistemes de baixa pressió en motors MEP turboalimentats pot alentir la resposta del motor i provocar fallades d'encesa durant maniobres d'acceleració i desacceleració, respectivament. Amb l'entrada en vigor de nous procediments d'homologació de vehicles, com el WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure), on les operacions transitòries tenen un pes important, els fabricants busquen que els seus motors consumisquen i emeten menys en un ampli rang de condicions d'operació, tant estacionàries com transitòries. Per això, l'objectiu principal d'aquesta tesi és analitzar i optimitzar el funcionament, en condicions transitòries, dels motors MEP que operen amb altes taxes de EGR. Per a això, s'ha emprat un motor de gasolina (Euro 6) de 1.3l turboalimentat amb injecció directa, distribució variable i turbina de geometria variable. S'ha desenvolupat un model unidimensional (1D) del motor per a l'estudi de la fluidodinàmica i els fenòmens de transport en el seu interior. D'altra banda, s'ha assajat el motor per a calibrar el model 1D i avaluar aspectes difícilment predictibles amb aquest model, com les emissions contaminants i l'estabilitat de la combustió. Previ a l'estudi en condicions transitòries, el motor va ser calibrat amb EGR, i es van realitzar simulacions per a determinar el consum d'un vehicle convencional i un altre híbrid, tots dos amb EGR, durant un cicle WLTP. Finalment, es va concloure que unes certes estratègies orientades a millorar el procés de renovació de la càrrega poden resoldre la problemàtica de l'ús del EGR en condicions transitòries. Això sí, implementar aquestes estratègies comportaria un augment en complexitat i costos. / [EN] Road transport is a major contributor to climate change. However, given the lack of competitiveness of fossil fuel-free alternatives, it does not seem possible to reduce the dependence on the internal combustion engine (ICE) as rapidly as planned by the authorities. Advanced gasoline engines will therefore hold a high market share in the automobile industry in the following years, at least during the next decade, either working in conventional or hybrid powertrains. Hence it is essential to keep improving these engines to reduce the negative impact of light-duty vehicles on the environment. The most used strategy to reduce fuel consumption and CO2 emissions in current spark-ignition (SI) gasoline engines is downsizing combined with direct injection (DI). Besides, downsizing must go hand in hand with turbocharging to maintain peak power. It is also proven that exhaust gas recirculation (EGR) can improve fuel economy in SI engines by 3-6% at medium and high loads. As a disadvantage, extracting the full benefit from EGR requires operating with high recirculation rates (close to the EGR dilution limit), leading to some issues under transient conditions. In this thesis, it is demonstrated that high EGR operation through long-route systems in turbocharged engines can potentially originate combustion instabilities and poor engine response during load-decrease (tip-out) and load-increase (tip-in) maneuvers, respectively. Transient operations are especially important for manufacturers since the implementation of the Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure (WLTP). The present thesis is therefore devoted to analyzing and optimizing the gasoline engine performance under high EGR conditions during relevant transient maneuvers. To this end, a Euro-6 1.3L turbocharged DI SI gasoline engine with a variable geometry turbine was employed. A 1D model of this ICE was developed to assess fluid dynamics and transport phenomena. Engine tests were also performed to validate the 1D model and evaluate torque response, combustion stability, and raw exhaust emissions. Before addressing the study of transient maneuvers, the engine calibration with EGR was carried out, and 0D conventional and hybrid vehicle simulations were done to determine the EGR benefit in fuel economy under WLTP driving conditions. Finally, tip-in and tip-out results revealed that some air management strategies are effective in meeting the transient EGR challenges in SI engines, but at the expense of increased complexity and costs. / González Domínguez, D. (2023). Analysis and Optimization of the Transient Operation of Gasoline Turbocharged Direct Injection Engines Under High EGR Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193852