[EN] The present PhD thesis aims at the development of a one-dimensional solver capable of solving single- and two-phase flow fluid systems. The novelty of this project lies in the use of an open source CFD platform, called OpenFOAM, as a development framework for the new tool. For the new solver development, the conservation equations based on Navier- Stokes (three-dimensional system) have been analyzed and reduced to one dimension. For the two-phase simulations, the Two Fluid Model method was used as base. In addition, a series of empirical models have been selected as closing equations of the system. The final solver includes a series of requirements that reinforce their capabilities. Among them, the use of a second mesh that represents the solid and takes into account the heat transmitted to the fluid by conduction through a solid, stands out. On the other hand, the possible transfer of mass between phases in twophase fluids has been taken into account. Similarly, a subcooled boiling model has been implemented which takes into account the possible generation of vapor near the wall while the bulk is kept below saturation temperature. Finally, this paper presents the verification and validation of the solver. The verification has been carried out mainly with the system code TRACE, whose validation has been demonstrated in numerous works and its use is very extended in the scientific community. For the validation, we have the results of two experimental cases that allow us to demonstrate the physical validity of the new application developed. The use of this platform allows for a much more direct coupling between one- and three-dimensional domains, obtaining a better optimization of the calculation. / [ES] El presente trabajo de doctorado tiene por objetivo el desarrollo de un solver unidimensional capaz de resolver sistemas de fluidos monofásicos y bifásicos. La novedad de este proyecto reside en el uso de una plataforma CFD de código abierto, llamada OpenFOAM, como marco para el desarrollo de la nueva herramienta. Para el desarrollo del nuevo solver, se han analizado las ecuaciones de conservación basadas en Navier-Stokes (tridimensionales) y se han reducido a una dimensión. Para la parte bifásica del solver, se utiliza el método Two Fluid Model. Además, se han incluido todos los modelos empíricos necesarios como ecuaciones de cierre del sistema. El solver final incluye una serie de requerimientos que refuerzan sus capacidades. Entre ellas, destacan, por un lado, el uso de una segunda malla que represente el sólido y tenga en cuenta el calor transmitido al fluido por conducción a través de un sólido. Por otro lado, se ha tenido en cuenta la posible transferencia de masa entre fases en fluidos bifásicos. Igualmente, se ha implementado un modelo de ebullición subenfriada que tiene en cuenta la posible generación de vapor cerca de la pared mientras el centro del fluido se mantiene por debajo de la temperatura de saturación. Finalmente, este trabajo presenta la verificación y validación del solver. La verificación se ha realizado principalmente con el código de sistema TRACE. Para la validación, se cuenta con los resultados de dos casos experimentales que permiten demostrar la validez física de la nueva aplicación desarrollada. La implementación del nuevo solver en esta plataforma abierta permite un futuro acoplamiento mucho más directo entre mallas unidimensionales y tridimensionales, obteniendo una mayor optimización del cálculo. / [CA] El present treball de doctorat té per objectiu el desenvolupament d'un nou solver unidimensional capaç de solucionar sistemes amb fluids monofàsics i bifàsics. La novetat d'aquest projecte resideix en l'ús d'una plataforma CFD de codi obert, anomenada OpenFOAM com a marc de desenvolupament de la nova eina. Per al desenvolupament del nou solver, s'han analitzat les equacions de conservació basades en Navier-Stokes (tridimensionals) i s'han reduït a una dimensió. Per a la part bifàsica del solver s'utilitza el mètode Two Fluid Model. A més, s'han inclòs tots els models empírics necessaris com a equacions de tancament del sistema. El solver final inclou una sèrie de requeriments que reforcen les seues capacitats. Entre elles, destaquen, d'una banda, l'ús d'una segona malla que represente el sòlid i es tinga en compte la calor transmesa al fluid per conducció a través d'un sòlid. D'altra banda, s'ha tingut en compte la possible transferència de massa entre fases en fluids bifàsics. Igualment, s'ha implementat un model d'ebullició subrefredada que té en compte la possible generació de vapor prop de la paret mentre el centre del fluid es manté per davall de la temperatura de saturació. Finalment, aquest treball presenta la verificació i validació del solver. La verificació s'ha realitzat principalment amb el codi de sistema TRACE, la validació del qual s'ha demostrat en nombrosos treballs i el seu ús està molt estés en la comunitat científica. Per a la validació, es compta amb els resultats de dos casos experimentals que permeten demostrar la validesa física de la nova aplicació desenvolupada. L'ús d'esta plataforma permiteix un futur acoblament més directe, entre elements unidimensionals i tridimensionals, obtenint una major optimització del càlcul. / Gómez-Zarzuela Quel, C. (2020). Development and assessment of a one-dimensional CFD solver for boiling flows in bubbly regimes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/148368

[EN] The main objective of this work is the modeling of diesel sprays under engine conditions, including the atomization, transport and evaporation processes pivotal in the diesel spray formation and its development. For this purpose, an Eulerian single fluid model, embedded in a RANS environment, is implemented in the CFD platform OpenFOAM. The modeling approach implemented here is based on the ⅀-Y model. The model is founded on the assumption of flow scales separation. In actual injection systems, it can be assumed that the flow exiting the nozzle is operating at large Reynolds and Weber numbers and thus, it is possible to assume a separation of features such as mass transport (large scales) from the atomization process occurring at smaller scales. The liquid/gas mixture is treated as a pseudo-fluid with variable density and which flows with a single velocity field. Moreover, the mean geometry of the liquid structures can be characterized by modeling the mean surface area of the liquid-gas interphase per unit of volume. Additionally, an evaporation model has been developed around the particular characteristics of the current engine technologies. This means that vaporization process is limited by fuel-air mixing rate and fuel droplets evaporate as long as there is enough air for them to heat up and vaporize. Consequently, the evaporation model is based on the Locally Homogeneous Flow (LHF) approach. Under the assumption of an adiabatic mixing, in the liquid/vapor region, the spray is supposed to have a trend towards adiabatic saturation conditions and to determine this equilibrium between phases Raoult's ideal law is considered. Finally, the spray model is coupled with an advanced combustion model based on approximated diffusion flames (ADF), which reduces the computational effort especially for complex fuels and is a natural step for modeling diesel sprays. First, the model is applied to a basic external flow case under non-vaporizing conditions, extremely convenient due to both the experimental database available and the symmetric layout which allows important simplification of the modeling effort. Good agreement between computational results and experimental data is observed, which encourages its application to a more complex configuration. Secondly, the model is applied to the "Spray A" from the Engine Combustion Network (ECN), under non-vaporizing conditions, in order to reproduce the internal structure of diesel sprays as well as to produce accurate predictions of SMD droplets sizes. Finally, vaporizing "Spray A" studies are conducted together with the baseline reacting condition of this database. The calculated spray penetration, liquid length, spray velocities, ignition delay and lift-off length are compared with experimental data and analysed in detail. / [ES] El objetivo principal de este trabajo es el modelado de chorros diésel en condiciones de motor, incluyendo los fenómenos de atomización, transporte y evaporación fundamentales en la formación y desarrollo del chorro. Para este fin, se implementa un modelo de spray euleriano de tipo monofluido en un entorno RANS en la plataforma CFD OpenFOAM. El enfoque de modelado aplicado aquí sigue la idea de un modelo del tipo ⅀-Y. El modelo se fundamenta en la hipótesis de separación de escalas del flujo. En los sistemas de inyección actuales, es posible asumir que el flujo que sale de la tobera opera a altos números de Reynolds y Webber y por tanto, es posible considerar la independencia de fenómenos como el transporte de masa (grandes escalas del flujo) de los procesos de atomización que ocurren a escalas menores. La mezcla líquido/gas se trata como un pseudo-fluido con densidad variable y que fluye según un único campo de velocidad. Además, la geometría promedio de las estructuras de líquido se puede caracterizar mediante el modelado de la superficie de la interfase líquido/gas por unidad de volumen. Completando el modelo de chorro, se ha desarrollado un modelo de evaporación alrededor de las características particulares de las tecnologías actuales de los motores. Esto supone que el proceso de evaporación está controlado por mezcla aire-combustible y las gotas de combustible se evaporan siempre que exista suficiente aire para calentarlas y evaporarlas. Debido a esto, el modelo de evaporación implementado está basado en el enfoque de Flujos Localmente Homogéneos (LHF). Considerando una mezcla adiabática, en la región líquido/vapor, se supone que el chorro tiende a las condiciones adiabáticas de saturación y para determinar este equilibrio entre fases, se utiliza la ley ideal de Raoult. Finalmente, el modelo de chorro se acopla con un modelo avanzado de combustión basado en llamas de difusión aproximadas (ADF), que reduce el coste computacional especialmente para combustibles complejos y supone el paso lógico en el desarrollo del modelo para simular chorros diesel. En primer lugar, el modelo se aplica al cálculo de un caso básico de flujo externo no evaporativo, muy adecuado tanto por la extensa base de datos experimentales disponible como por la simetría geométrica que presenta, permitiendo una importante simplificación de la simulación. Los resultados obtenidos presentan un buen acuerdo con los experimentos, lo cual estimula su aplicación en configuraciones más complejas. En segundo lugar, el modelo se aplica al cálculo del "Spray A" del Engine Combustion Network (ECN), no evaporativo, para reproducir la estructura interna del chorro diesel así como predecir tamaños de gota (SMD) de forma precisa. Finalmente, se realizan estudios evaporativos del "Spray A" junto con la condición nominal reactiva de esta base de datos. La penetración de vapor, la longitud líquida, velocidad, el tiempo de retraso y la longitud de despegue de llama calculados se comparan con los datos experimentales y se analizan en detalle. / [CA] L'objectiu principal d'aquest treball és el modelatge de dolls dièsel en condicions de motor, incloent els fenòmens d'atomització, transport i evaporació fonamentals en la formació i desenvolupament del doll. Amb aquesta finalitat, s'implementa un model de doll eulerià de tipus monofluid en un entorn RANS a la plataforma CFD OpenFOAM. L'enfocament de modelatge aplicat ací segueix la idea d'un model del tipus ⅀-Y. El model es fonamenta en la hipòtesi de separació d'escales del flux. En els sistemes d'injecció actuals, és possible assumir que el flux que surt de la tovera opera a alts nombres de Reynolds i Webber, i per tant és possible considerar la independència de fenòmens com el transport de massa (grans escales del flux) dels processos d'atomització que ocorren a escales menors. La mescla líquid / gas es tracta com un pseudo-fluid amb densitat variable i que flueix segons un únic camp de velocitat. A més, la geometria mitjana de les estructures de líquid es pot caracteritzar mitjançant el modelatge de la superfície de la interfase líquid / gas per unitat de volum. Completant el model, s'ha desenvolupat un model d'evaporació al voltant de les característiques particulars de les tecnologies actuals dels motors. Això suposa que el procés d'evaporació està controlat per la mescla aire-combustible i les gotes de combustible s'evaporen sempre que hi hagi suficient aire per escalfar i evaporar. A causa d'això, el model d'evaporació implementat està basat en el plantejament de fluxos Localment Homogenis (LHF). Considerant una mescla adiabàtica, a la regió líquid / vapor, se suposa que el doll tendeix a les condicions adiabàtiques de saturació i per determinar aquest equilibri entre fases, s'utilitza la llei ideal de Raoult. Finalment, el model de doll s'acobla amb un model avançat de combustió basat en flamelets de difusió aproximades (ADF), que redueix el cost computacional especialment per a combustibles complexos i suposa el pas lògic en el desenvolupament del model per simular dolls dièsel. En primer lloc, el model s'aplica al càlcul d'un cas bàsic de flux extern no evaporatiu, molt adequat tant per l'extensa base de dades experimentals disponible com per la simetria geomètrica que presenta, permetent una important simplificació de la simulació. Els resultats obtinguts presenten un bon acord amb els experiments, la qual cosa estimula la seva aplicació en configuracions més complexes. En segon lloc, el model s'aplica al càlcul del "Spray A" no evaporatiu de la xarxa Engine Combustion Network (ECN), per reproduir l'estructura interna del doll dièsel així com predir mides de gota (SMD) de forma precisa. Finalment, es realitzen estudis evaporatius del "Spray A" juntament amb la condició nominal reactiva d'aquesta base de dades. La penetració de vapor, la longitud líquida, velocitat, el temps de retard i la longitud d'enlairament de flama calculats es comparen amb les dades experimentals i s'analitzen en detall. / Pandal Blanco, A. (2016). Implementation and Development of an Eulerian Spray Model for CFD simulations of diesel Sprays [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68490

Lors d’une opération de forage, un certain nombre d’événements imprévus par rapport à l’écoulement du fluide de forage dans le puits, peuvent se produire assez rapidement. Des exemples de tels événements sont les afflux de pétrole ("kick") ainsi que les pertes de boue dans la formation. Un "kick" qui augmente en intensité peut entraîner, par ce que l’on nomme, un "blowout" (par exemple l’incident Deepwater Horizon en 2010). Les pertes et les gains sont habituellement détectés en contrôlant l’équilibre de la boue de forage dans le puits, en particulier en contrôlant le débit sortant du puits et en le comparant au débit entrant induit par les pompes. La plupart des méthodes de surveillance, de l’écoulement du puits en cours de forage, est d’utiliser un simple "paddle" (capteur qui mesure la hauteur du fluide de forage avec l’inclinaison d’une pagaie) dans la ligne d’écoulement de retour, ou d’utiliser un débitmètre de Coriolis (débitmètre connu pour sa précision, mais coûteux et nécessite une installation complexe en ajoutant un "by-pass"). Il y a un besoin évident d’un nouveau débitmètre précis, mais facile à installer et peu coûteux. Le canal Venturi a été utilisé comme débitmètre pendant des années dans l’industrie des eaux. Il apparaît comme une solution peu chère mais précise pour mesurer des débits importants. Beaucoup de personnes ont travaillé sur cette solution pour améliorer sa précision et élargir son champ d’application. Ils ont développé des modèles, sur la base d’un processus d’étalonnage, permettant de relier la hauteur en amont au débit. Cela signifie que les modèles actuels, comme ISO NORM 4359 [1], peuvent être uniquement utilisés pour l’écoulement d’eau et pour une géométrie bien spécifique. Comme nous le savons, les boues ont des comportement non- Newtonien, et donc ces modèles établis ne peuvent pas être utilisés avec ce type de fluides. Pour notre application, la forme trapézoïdale apparaît comme un bon compromis entre la précision et la portée des mesures de débit. Ainsi, nous avons développé un modèle capable de calculer le débit en prenant en compte les propriétés du fluide ainsi que les paramètres géométriques du canal. Ce modèle a été simplifié sous forme 1D en utilisant la théorie des eaux peux profondes, et a été complété par un modèle de friction tenant en compte de la variation des propriétés des fluides et de la géométrie du canal. Ce modèle a été validé par une série d’expériences avec les deux types de fluides: Newtonien et non-Newtonien, où nous avons mesuré le débit et la hauteur de l’écoulement à différents endroits le long du canal Venturi. Nous avons également réalisé des simulations 3D, en simulant des écoulements Newtoniens et non- Newtonien le long du canal. Pour généraliser cette étude, cette démarche a été étendue à une autre forme de Venturi plus adapté à un certain design de plate-forme pétrolière. Les corrélations et les modèles développés et validés expérimentalement au cours de cette étude peuvent être utilisés pour étendre l’utilisation des canaux Venturi à tous les fluides Newtonien mais aussi non-Newtonien. Il est maintenant l’occasion pour les industries de proposer une solution, peu chère mais précise pour mesurer les débits dans des canaux ouverts et pour tous types de fluides. / During a drilling operation, a certain number of unexpected events, related to the flow of drilling fluid in the well, may happen rather quickly. Examples of such events are formation fluid influx (kick) and mud loss to the formation. An uncontrolled kick that increases in intensity may result in what is known as a blowout (e.g. the Deepwater Horizon incident in 2010). Influxes and kicks are traditionally detected by monitoring the drilling mud balance in the well, in particular, by monitoring the flow out the well and comparing it to the incoming flow induced by the pumps. Most methods of monitoring the flow out of the well while drilling consists in using a simple paddle (sensor that measures the height of drilling fluid with the inclination of a paddle) in the return flow line, or in using a Coriolis flow meter (flow meter known for its accuracy but expensive and requires a complex installation by adding a bypass). There is a clear need of a new accurate flow meter, but easy to install and inexpensive. The Venturi flume has been used as flow meter for years in water industry. It appears as a cheap but accurate solution to measure large flow rates. Many people have worked on this solution to improve its accuracy and to expand its scope. They have developed models, based on a calibration process, to relate the upstream height to the flow rate. This means that current models, as ISO NORM 4359 [1], can be used only for water flow and specific geometry. As known, muds have non-Newtonian behavior and water models cannot be used with this kind of fluids. For our application, trapezoidal shape appears as a good compromise between accuracy and range of flow rate measurements. Thus, we built a model able to compute the flow rate with taking into account fluid properties and geometrical parameters. This model is simplified in 1D form by using the Shallow Water theory, and completed by a friction model taking into account the variation of fluid properties and geometry along the open channel. It have been validated by series of experiments with both Newtonian and non-Newtonian fluids, where we measured the flow rate and heights of the flow at different locations along the trapezoidal Venturi flume. It have been also completed by 3D CFD which has been simulated both Newtonian and non-Newtonian flows along the flume. To generalized this study, the work was extended to another shape of Venturi more suited to some rig design. The correlations and models developed and experimentally validated during this research can be used to extend the use of Venturi flume flow meters for any fluids : Newtonian and non- Newtonian. It is an opportunity for industries to propose a cheap but accurate solution to measure flow rates in open channels with any kind of fluids.

Les oscillateurs fluidiques qui peuvent générer des excitations périodiques sont des actionneurs très prometteurs pour des applications de contrôle actif des écoulements. Les oscillations sont en effet complètement auto-induites et produites en l'absence de parties mobiles ce qui rend ces actionneurs très intéressants en termes de fiabilité et de robustesse. Ce travail de thèse avait pour objectif principal d'identifier les mécanismes physiques qui contrôlent la dynamique de fonctionnement de ce type d'oscillateurs fluidiques et de proposer des lignes directrices pour la conception d'oscillateurs dont les performances soient adaptées aux applications de contrôle d'écoulements envisagées. L'analyse expérimentale de plusieurs prototypes couplée à des simulations numériques a permis de mettre en évidence que le mécanisme de basculement du jet dans ce type d'oscillateurs est contrôlé par les gradients de pression existants au niveau de deux parties critiques de ces actionneurs. A partir de cette analyse, une relation simple a été établie permettant d'estimer la fréquence des oscillations. Deux méthodes de synchronisation, permettant le contrôle du déphasage entre les actionneurs, ont été proposées et validées expérimentalement ainsi qu'à l'aide de simulations numériques. Une matrice de micro­ oscillateurs fluidiques a été conçue, fabriquée et finalement intégrée sur une rampe installée en soufflerie. L'analyse expérimentale de son efficacité pour le contrôle de l'écoulement séparé a mis en évidence un gain important par rapport aux résultats obtenus lors de travaux précédents sur des écoulements de paroi similaires à l'aide d'autres types d'actionneurs fluidiques. / Fluidic oscillators which can generate periodic excitations are very promising for active flow control applications, due to their reliability and robustness, as their internal flow oscillation is totally self-induced and self-sustained. The main objective of this work is to identify the underlying mechanisms controlling the dynamics of this kind of fluidic oscillator and to propose guiding lines for the design of oscillators. Experimental analysis of several oscillator prototypes and associated numerical simulations have permitted to explain that the jet switching in this kind of oscillator is controlled by pressure gradients in two critical parts of the device. From these analyses, a simple function has been proposed to estimate the oscillation frequency. Two synchronization methods, allowing the control of the phase lag between the actuators, have been proposed and validated experimentally and by numerical simulations. An array of micro-fluidic oscillators has then been designed and tested on a ramp separated flow, showing much higher efficiency compared to other kind of fluidic actuators tested on similar wall flows in previous studies.

La piscine fait partie des établissements publics les plus fréquentés dans notre société. En effet, il ne s’agit pas uniquement d’un lieu de pratique d'activités physiques, mais également un espace de détente, de jeu, d’éducation et de lien familial. Il est de toute évidence essentiel, de fournir un environnement intérieur confortable et sain pour ses occupants. Cependant, en raison de sa dimension, son besoin excessif en énergie et la complexité des phénomènes physiques évoluant à l’intérieur, il est difficile de parvenir à un équilibre optimum entre : qualité de l’air intérieur, confort thermique des occupants et efficacité énergique du bâtiment. Il faut pour cela, parvenir à une description des mécanismes qui façonnent la structure de l’écoulement de l’air par une analyse profonde de ces phénomènes qui sont à l'origine des transferts de chaleur et de masse mis en jeu à l’intérieur. Ainsi, l’objectif visé de cette thèse est de présenter une étude numérique thermo aéraulique, par CFD en régime stationnaire et transitoire, qui permet d’évaluer le comportement dynamique, thermique et thermodynamique des différents phénomènes physiques qui évoluent à l’intérieur de la piscine intérieure semi-olympique de l’université Bishop’s (Sherbrooke, Canada) afin d’améliorer la qualité de l’air intérieur et le confort thermique ainsi que son rendement énergétique. Les simulations sont réalisées avec le logiciel libre OpenFOAM en utilisant une approche RANS. Une étude thermo-aéraulique par CFD a d’abord été réalisée sur une cavité rectangulaire avec plancher chauffé, afin d’appréhender les simulations thermo aérauliques. Cela a abouti à la détermination de la meilleure configuration d’aération pour une qualité de l’air et un confort thermique optimum. Plusieurs simulations CFD du flux d'air tridimensionnel avec transfert de chaleur et de masse ont été aussi effectuées ultérieurement pour la piscine, afin d’évaluer les effets des conditions climatiques extérieures et ceux des nageurs sur l'atmosphère intérieure. En adoptant plusieurs modèles de turbulence de type RANS, la comparaison des résultats obtenus avec les données expérimentales de référence a permis de valider le code OpenFOAM. Les données expérimentales ont été recueillies au préalable au sein de la piscine de l’Université Bishop’s à l’aide d’un dispositif conçu et adapté aux conditions internes propre à la piscine et qui est équipé de plusieurs capteurs pour la mesure de : température, humidité relative et vitesse. Enfin, une étude thermo-aéraulique de la piscine en régime turbulent transitoire pour une durée de 24 heures pour les jours typiques d'été et d'hiver a été réalisée afin de prédire l’évolution de la distribution des paramètres tels que la vitesse, la température et l'humidité relative. Une analyse statistique a permis de montrer que les conditions climatiques extérieures n'ont pas d'effet sur l'environnement interne de celle-ci. D’ailleurs, sa très bonne isolation thermique démontrée par un calcul détaillé des pertes thermiques à travers son enveloppe confirme ce constat. D’autre part, l’évaluation de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique des occupants a révélé que ces derniers sont inacceptables. Suite auxquels, un ajustement des paramètres de conditionnement de l’air a été apporté pour fin d’amélioration. / Abstract : The swimming pool is one of the most popular public establishments in our society and is not just a place for physical activities but also a space for relaxation, play, education and family ties. It is therefore important to ensure a healthy and comfortable indoor environment for the occupants. However, given the size, energy requirement and complexity of the physical phenomena that take place within such space, it is difficult to achieve an optimum balance between interior air quality, thermal comfort of occupants and energy efficiency of the building. This requires a description of the mechanisms, which determine the structure of the airflow by a profound analysis of these phenomena, which are the origin of the heat and mass transfers involved inside such spaces. The objective of this thesis is to present a numerical thermo-ventilation study using CFD (computational fluid dynamic) in stationary and transient regime that allows to evaluate the dynamic, thermal and thermodynamic behaviors of the various phenomena that take place inside the semi-Olympic closed swimming pool at Bishop's University (Sherbrooke, Qc, Canada). The aim is to improve the indoor air quality and thermal comfort of occupants as well as its energy efficiency. The simulations are carried out using OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) using a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach. To do this, a CFD thermo-ventilation study was first carried out on a rectangular cavity with heated floor in order to understand the thermo-ventilation simulations. This has led to the determination of the best ventilation configuration for optimum air quality and thermal comfort. Several CFD simulations of the three-dimensional airflow with heat and mass transfer were also carried out later for the indoor swimming pool to evaluate the effects of outdoor climatic conditions and swimmers on the indoor atmosphere of the pool. By adopting several RANS turbulence models, the comparison of the results obtained with the experimental data allowed to validate the OpenFOAM code. The experimental data were collected in the pool at Bishop's University using a device designed and adapted to the pool’s internal conditions. The devise is equipped with several sensors to measure temperature, relative humidity and velocity. Finally, a thermo-ventilation study of the swimming pool in transient turbulent regime for a duration of 24 hours for typical days of summer and winter was conducted in order to predict the distribution of the various parameters such as velocity, temperature and relative humidity. A statistical analysis showed that the external climatic conditions have no effect on the internal environment of the swimming pool. Moreover, its good thermal insulation demonstrated by a detailed calculation of the thermal losses through building envelope confirms this observation. On the other hand, the evaluation of the indoor air quality and the thermal comfort of occupants revealed that the conditions inside the pool are unacceptable. After which, an adjustment of the air conditioning parameters was made for improvements.

Laser is an efficient and widely used heat source in metal processing suchas welding and additive manufacturing. It has some great advantages compared to the other conventional heat sources like electron beam and arc namely: ability of handling complicated joint geometries and producing large components. Laser beam welding encompasses many complex physical phenomena such asheat transfer, metal melting, flow and solidification, free surface deformation, evaporation and possibly vaporization. The aim of this research work istwo-fold: gain deeper process understanding and improve the model reliability. Deeper process understanding is sought on the effect of beam shaping on themelt pool. To achieve improved model reliability, a good support consists in using qualitative experimental data representing the process. Thus, 3D validation of the melt pool geometry is performed while it was usually 2D inprevious research works. Furthermore, a new calculation procedure for laser absorption is introduced. To conduct this research work, a Computational Fluid Dynamics approach is used. A solver, capable of tracking the deformation of the melt free surface, is developed in OpenFOAM. Concerning beam shaping, it is found that not only the melt pool size as previously known but also the melt flow pattern is modified through elongating the beam shape.This last result could not be revealed by former studies as the non-transparent media hinders optical observation. New in-process quantitative measurements performed by a project partner are used to test the model. Weaknesses of the former absorptivity models are highlighted, as well as the limitations of the proposed model. Finally, the results show that the proposed absorptivity model function of local surface conditions leads to much better agreement with experimental results compared to the former constant absorptivity model. The maximum discrepancy compared to the experimental measurement, which is observed for the melt pool depth, can indeed be reduced to about 10%. / Laser är en effektiv och allmänt använd värmekälla vid svetsning och additiv tillverkning. Den har några viktiga fördelar jämfört med andra konventionella värmekällor såsom elektronstråle och elektrisk ljusbåge, nämligen: den kan ofta användas till komplicerade svetsgeometrier, och den kan producera stora komponenter. Lasersvetsning involverar olika sammansatta fysikaliska fenomen såsom värmeöverföring, metallsmältning, flöde, stelning, ytdeformation, avdunstning och i vissa fall förångning. Syftet med mitt forskningsarbete är tvåfaldigt: att få en djupare processförståelse och att förbättra modellens tillförlitlighet. Fördjupad processförståelse eftersträvades för att förstå hur formen på laserstrålen påverkar svetssmältan. För att uppnå förbättrad modellsäkerhet behövs experimentella data av hög kvalitet som representerar processen. Således utfördes 3D-validering av smältgeometrin medan det vanligtvis var 2D i tidigare forskningsarbeten. Dessutom har en ny modell för laserabsorption föreslagits. I forskningen har numerisk strömningssimulering (Computational Fluid Dynamics) använts för att simulera processen och en numerisk lösare, som kan spåra deformationen av den rörliga smälta ytan, är utveckladi programvaran OpenFOAM. Beträffande laserstrålens utbredning visar resultaten att svetssmältans storlek och även svetssmältansflöde modifieras genom att laserstråleformen förlängs. Medan den förra är känd från tidigare experimentella studier upptäcktes den senare inte före denna studie eftersomdet icke-transparenta mediet hindrar optisk observation. Nya (in-process) kvantitativa mätningar utförda av en projektpartner har använts för att testa modellerna. Svagheter i den tidigare absorptionsmodellen framhävdes, liksom begränsningarna i den föreslagna modellen. Slutligen visade resultaten att den föreslagna modellen där laserabsorptionen är en funktion av lokala ytförhållanden ledde till en bättre overensstämmelse med mätningar jämfört med den tidigare modellen med konstant laserabsorbtion. Den maximala avvikelsen jämfört med experimentell mätning, som observerades med avseende på smältbassängsdjupet, kunde reduceras till cirka 10%. / <p>Till licentiatuppsats hör 2 inskickade artiklar, som inte visas nu.</p>

Vergasungsprozesse, bei denen kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe in ein vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas umgewandelt werden, stellen eine Schlüsseltechnologie für eine zukünftige nachhaltige Rohstoffnutzung dar. Der Grund für den Einsatz von Hochdruckverfahren liegt in der Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Die numerische Simulation der Hochdruckvergasung hat große Schnittmengen mit der Verbrennungssimulation. So kann die Flammenzone mit Hilfe von Verbrennungsmodellen beschrieben werden. In der Arbeit wurden Simulationen einer Versuchsanlage für Hochdruckvergasung mit Hilfe kommerzieller CFD-Codes und mit Hilfe des quelloffenen Codes OpenFOAM durchgeführt. Eine Analyse des Verbrennungsmodells ergab, dass die wesentlichen Reaktionen im Reformierungsbereich, wo kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist, nur unzureichend abgebildet wurden. Durch die Verwendung eines alternativen Ansatzes konnte der Modellierungsfehler deutlich reduziert werden.

Gas metal arc is a high-efficiency and widely used heat source for metal processing applied predominantly in welding and additive manufacturing. In this study, it was applied to welding. It offers high productivity, low production and investment cost, as well as suffers from some drawbacks such as humping or undercut when welding large parts that are curved and impose changing the orientation of the welding torch along the joint path. Deeper process understanding was therefore sought to mitigate these drawbacks. The difficulty is then the non-lineardependence of the process to the welding parameters and material properties. Besides, visual observation of this process is also difficult. For instance, the elevated temperature and the intense radiative emission from the electric arc, smoke, spatter, as well as the non-transparency of the processed alloy can hinder in-process observation or limit it. Process simulation provides a complementary means to reach process knowledge. It was thus the approach used in this study. For this, a thermo-fluid melt pool model that can predict melting and solidification, track free surface deformation, metal transfer, and coalescence with the melt pool was developed. Two main research questions were identified and addressed.The first one led to studying the effect of the substrate orientation during multilayer welding of a V-groove joint with INVAR and gas metal arc. It was foundthat the force balance in the melt pool changes significantly when the workpieceorientation is changed, resulting in distinct melt flow patterns, melt pool and bead geometries, and in some conditions defect initiation such as humping, undercut, and lack of fusion. As a result, multi-layer welding with flat substrate and downhill welding of a 20◦ inclined substrate are recommended with these process conditions. On the contrary, welding of a side inclined substrate and uphill welding of a 20◦ inclined substrate are not recommended. The second question gave rise to the comparative investigation of the three electromagnetic force models commonly used when modelling a melt pool produced by an electric arc. The underlying modelling assumptions were retrieved and investigated. It was found that each of these three models predicts a different melt flow pattern, different heat convection, melt pool shape, free surface oscillation, and interaction with the transferred metal drops, and thus result in different bead geometry. All these models can be adjusted to predict the penetration depth, however, only the most complete of them is recommended for developing a predictive melt pool model. For this, it is proposed as a future work to improve this model through predicting an electromagnetic force that takes also into account the local deformation of the free surface. / Gasmetallbåge är en effektiv och allmänt använd värmekälla vid svetsning och additiv tillverkning. I denna studie tillämpas den på svetsning. Den erbjuder hög produktivitet, låg kostnad vid inköp och användning, såväl som vissa nackdelarsom ojämn "bucklig" svetssträng och smältdiken vid svetsning av stora komponenter som är krökta och medför att svetsbrännarens orientering ändras utmed fogen. Bättre processförståelse eftersträvas därför för att mildra dessa nackdelar. En utmaning är processens icke-linjära beroende av svetsparametrarna och materialegenskaperna. Dessutom är experimentell optisk övervakning svår. Till exempel kan den höga temperaturen och den intensiva elektromagnetiska strålningen från ljusbågen, rök, sprut, såväl som legeringens ogenomskinlighet, förhindra observation under processen eller begränsa den. Processimulering erbjuder en komplementär metod för att nå processkunskap. Det är alltså detta tillvägagångssätt som används i denna studie. För detta har en modell av värme och materialflödena i smältan utvecklats som kan prediktera smältning och stelning, spåra smältytans deformation, metallflöde och koalescens med smältan.Två huvudsakliga forskningsfrågor har identifierats och adresserats. Den första studerade gravitationens påverkan vid flersträngs-, gasmetallbågsvetsning av V-fogar i INVAR. Olika svetslägen har visat sig ha en betydande påverkan på kraftbalanserna i svetssmältan vilket resulterar i distinkta smältflöden, smält- och svetsförbandgeometrier, och under vissa förhållanden svetsdefekter såsom ojämn "bucklig" svetssträng, smältdiken och bindfel. Som ett resultat rekommenderas horisontellt och 20◦ fallande läge vid flersträngssvetsning, medan 20◦ stigande och sidolutande inte rekommenderas. Den andra frågan undersökte inverkan av de tre huvudsakliga modellerna för den elektromagnetiska kraften som idag används vid svetssimuleringar. För modelleringen har antaganden lagts fram och undersökts. Det visade sig att de tre modellerna predikterar olika flödesmönster i smältan, olika värmekonvektion, smältgeometri, ytvågor och interaktion med de överförda metalldropparna, och därmed också predikterar olika svetsstränggeometrier. Alla tre modeller kan justeras för att prediktera svetspenetrationen, men endast den mest kompletta av dessa rekommenderas för sant prediktiv modellering. Det föreslås också att ytterligare förbättra den mest kompletta modellen så att det elektromagnetiska kraftfältet följer deformationen av den fria smältytan. / <p>Submitted papers or manuscripts have been excluded from the fulltext file. </p>

This project deals with two-phase CFD model validation, a subject which is currently under active research due to its complexity. The goal is to create a model that predicts data profiles to an acceptable degree for a wide array of flow conditions. The applications within the nuclear field would mainly be for safety analysis, e.g. to predict phenomena such as the critical heat flux. The underlying physics were investigated, and simulations were performed of two-phase flow of the coolant R12 using the program OpenFOAM in an attempt to match radial profiles of void fraction, interfacial area concentration, vapour velocity and sauter mean diameter for different flow conditions provided by the DEBORA experiments. The proper set of models was found via sensitivity testing: trying combinations of different models and model coefficients. The effect on the simulation result was investigated, with the models that improved the result kept while the rest were discarded. The main strategy was to find models that accurately predicted the sauter mean diameter, as initial sensitivity tests showed the result to be highly dependent on this parameter. The impact of initial conditions and mesh refinement was also investigated, and a temperature validation study was done. The process was aided by a number of Matlab programs written by the author, to calculate and verify inputs and to post-process the result. A model was found that simulated the subcooled nucleate boiling datasets to an acceptable degree. The model failed to accurately simulate saturated nucleate boiling. / Detta projekt behandlar tvåfas CFD-modellvalidering, ett ämne som fortfarande ärunder aktiv forskning på grund av sin komplexitet. Syftet är att utveckla en modellsom förutser dataprofiler till en acceptabel grad för en mängd olika flödesregimer.Inom kärnkraftsbranchen skulle detta primärt vara applicerbart inom reaktorsäkerhet,t.ex. för att förutse fenomen så som critical heat flux. Den underliggande fysikenundersöktes, och simuleringar genomfördes på tvåfas flöde av kylmedlet R12 med hjälpav programmet OpenFOAM i ett försök att matcha 14 dataprofiler för void fraction,interfacial area, vapour velocity och sauter mean diameter för olika flödesregimertillhandahålla av DEBORA-experimenten.Den rätta uppsättningen modeller fanns via känslighetsanalys, genom att testa olikakombinationer av modeller och modellkoefficienter. Deras effektersimuleringsresultatet undersöktes, och de modeller som förbättrade resultatet behölls,medans resten förkastades. Huvudstrategin var att hitta modeller som förutsåg sautermean diameter, bubblornas medeldiameter, väl, då preliminär känslighetsanalysvisade att resultaten var mycket känsliga på denna parameter. Inflytandet avinitialvillkor och mesh-förfining undersöktes, och en temperaturprofilsvalideringgenomfördes. Till hjälp i processern var ett antal Matlab-program skrivna avförfattaren för att beräkna och verifiera inmatning och behandla och visualiserautdatan. En modell hittades som simulerade underkyld kokning till en acceptabel grad.Modellen misslyckades med att träffsäkert simulera mättad kokning.

Orientador: José Antônio Perrella Balestieri / Abstract: Direct injection spark ignition (DISI) engines aim at reducing specific fuel consumption and achieving the strict emission standards in state of the art internal combustion engines. Therefore, in this work the goal is to develop code for simulations of the internal flow in DISI engines, as well as the phenomenon of fuel spray injection into the combustion chamber using a Lagrangian-Eulerian approach for representing the multiphase flow, and Large-eddy Simulations (LES) for modeling the turbulence of the continuum medium by means of the open-source CFD library OpenFOAM. In order to validate the obtained results and the developed models, experimental data from the Darmstadt optical engine, and the non-reactive “Spray G” gasoline injection case, along with the reactive “Spray A” case from the Engine Combustion Network (ECN) will be employed. Finally, a novel open-source solver will be proposed to simulate the Darmstadt optical engine in motored and fired operation under stratified mixture condition, using data compiled by the Darmstadt Engine Workshop (DEW) for validation. Moreover, a deep learning framework is presented to train an artificial neural network (ANN) with the engine LES data generated in this work, in order to make predictions of the small scale turbulence behavior. / Resumo: Motores de ignição a centelha com injeção direta (direct injection spark ignition engines, DISI engines) visam reduzir o consumo específico de combustível e respeitar os restritos níveis de emissão em motores de combustão interna de última geração. Assim, pretende-se com este trabalho desenvolver código para simulação do escoamento interno em motores DISI, assim como os fenômenos de injeção de combustível no interior da câmara de combustão utilizando uma abordagem Lagrangeana-Euleriana para representação do escoamento multifásico e Simulação de Grandes Escalas (Large-eddy simulation, LES) para a modelagem da turbulência no meio contínuo, por intermédio da biblioteca CFD de código aberto OpenFOAM. De modo a validar os resultados e os modelos desenvolvidos, dados experimentais serão utilizados, obtidos do motor óptico de Darmstadt, e do caso de teste de injeção de gasolina não-reativo “Spray G”, juntamente com o caso reativo “Spray A” da Rede de Combustão em Motores (Engine Combustion Network, ECN). Enfim, um novo código aberto será proposto para simular o motor óptico de Darmstadt em condições de escoamento a frio (sem combustão) e com combustão em condição de mistura estratificada, usando dados compilados pelo Workshop do Motor de Darmstadt (Darmstadt Engine Workshop, DEW) para validação. Além disso, uma abordagem de aprendizado profundo (deep learning) será apresentada para treinar uma rede neural artificial (artificial neural network, ANN) com dados de simulação LES de moto... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor