Regulations for ICE-based transportation in the EU seek carbon dioxide emissions lower than 95 g CO2/km by 2020. In order to fulfill these limits, improvements in vehicle fuel consumption have to be achieved. One of the main losses of ICEs happens in the exhaust line. Internal combustion engines transform chemical energy into mechanical energy through combustion; however, only about 15-32% of this energy is effectively used to produce work, while most of the fuel energy is wasted through exhaust gases and coolant. Therefore, these sources can be exploited to improve the overall efficiency of the engine. Between these sources, exhaust gases show the largest potential of Waste Heat Recovery (WHR) due to its high level of exergy. Regarding WHR technologies, Rankine cycles are considered as the most promising candidates for improving Internal Combustion Engines. However, the implementation of this technology in modern passenger cars requires additional features to achieve a compact integration and controllability in the engine. While industrial applications typically operates in steady state operating points, there is a huge challenge taking into account its impact in the engine during typical daily driving profiles. This thesis contributes to the knowledge and characterization of an Organic Rankine Cycle coupled with an Internal Combustion Engine using ethanol as working fluid and a swash-plate expander as expansion machine. The main objective of this research work is to obtain and quantify the potential of Organic Rankine Cycles for the use of residual energy in automotive engines. To do this, an experimental ORC test bench was designed and built at CMT (Polytechnic University of Valencia), which can be coupled to different types of automotive combustion engines. Using these results, an estimation of the main variables of the cycle was obtained both in stationary and transient operating points. A potential of increasing ICE mechanical efficiency up to 3.7% could be reached at points of high load installing an ORC in a conventional turbocharged gasoline engine. Regarding transient conditions, a slightly simple and robust control based on adaptive PIDs, allows the control of the ORC in realistic driving profiles. High loads and hot conditions should be the starting ideal conditions to test and validate the control of the ORC in order to achieve high exhaust temperatures that justify the feasibility of the system. In order to deepen in the viability and characteristics of this particular application, some theoretical studies were done. A 1D model was developed using LMS Imagine.Lab Amesim platform. A potential improvement of 2.5% in fuel conversion efficiency was obtained at the high operating points as a direct consequence of the 23.5 g/kWh reduction in bsfc. To conclude, a thermo-economic study was developed taking into account the main elements of the installation costs and a minimum Specific Investment Cost value of 2030 €/kW was obtained. Moreover, an exergetic study showed that a total amount of 3.75 kW, 36.5% of exergy destruction rate, could be lowered in the forthcoming years, taking account the maximum efficiencies considering technical restrictions of the cycle components. / Las normativas anticontaminantes para el transporte propulsado por motores de combustión interna alternativos en la Unión Europea muestran límites de emisión menores a 95 g CO2/km para el año 2020. Con el fin de cumplir estos límites, deberán ser realizadas mejoras en el consumo de combustible en los vehículos. Una de las principales pérdidas en los Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA) ocurre en la línea de escape. Los MCIA transforman la energía química en energía mecánica a través de la combustión; sin embargo, únicamente el 15-32% de esta energía es eficazmente usada para producir trabajo, mientras que la mayor parte es desperdiciada a través de los gases de escape y el agua de refrigeración del motor. Por ello, estas fuentes de energía pueden ser utilizadas para mejorar la eficiencia global del vehículo. De estas fuentes, los gases de escape muestran un potencial mayor de recuperación de energía residual debido a su mayor contenido exergético. De todos los tipos de Sistemas de Recuperación de Energía Residual, los Ciclos Rankine son considerados como los candidatos más prometedores para mejorar la eficiencia de los MCIA. Sin embargo, la implementación de esta tecnología en los vehículos de pasajeros modernos requiere nuevas características para conseguir una integración compacta y una buena controlabilidad del motor. Mientras que las aplicaciones industriales normalmente operan en puntos de operación estacionarios, en el caso de los vehículos con MCIA existen importantes retos teniendo en cuenta su impacto en el modo de conducción cotidianos. Esta Tesis contribuye al conocimiento y caracterización de un Ciclo Rankine Orgánico acoplado con un Motor de Combustión Interna Alternativo utilizando etanol como fluido de trabajo y un expansor tipo Swash-plate como máquina expansora. El principal objetivo de este trabajo de investigación es obtener y cuantificar el potencial de los Ciclos Rankine Orgánicos (ORC) para la recuperación de la energía residual en motores de automoción. Para ello, una instalación experimental con un Ciclo Rankine Orgánico fue diseñada y construida en el Instituto Universitario "CMT - Motores Térmicos" (Universidad Politécnica de Valencia), que puede ser acoplada a diferentes tipos de motores de combustión interna alternativos. Usando esta instalación, una estimación de las principales variables del ciclo fue obtenida tanto en puntos estacionarios como en transitorios. Un potencial de mejora en torno a un 3.7 % puede ser alcanzada en puntos de alta carga instalando un ORC en un motor gasolina turboalimentado. Respecto a las condiciones transitorias, un control sencillo y robusto basado en PIDs adaptativos permite el control del ORC en perfiles de conducción reales. Las condiciones ideales para testear y validar el control del ORC son alta carga en el motor comenzando con el motor en caliente para conseguir altas temperaturas en el escape que justifiquen la viabilidad de estos ciclos. Para tratar de profundizar en la viabilidad y características de esta aplicación particular, diversos estudios teóricos fueron realizados. Un modelo 1D fue desarrollado usando el software LMS Imagine.Lab Amesim. Un potencial de mejora en torno a un 2.5% en el rendimiento efectivo del motor fue obtenido en condiciones transitorias en los puntos de alta carga como una consecuencia directa de la reducción de 23.5 g/kWh del consumo específico. Para concluir, un estudio termo-económico fue desarrollado teniendo en cuenta los costes de los principales elementos de la instalación y un valor mínimo de 2030 €/kW fue obtenido en el parámetro de Coste Específico de inversión. Además, el estudio exergético muestra que un total de 3.75 kW, 36.5 % de la tasa de destrucción total de exergía, podría ser reducida en los años futuros, teniendo en cuenta las máximas eficiencias considerando restricciones técnicas en los componentes del ciclo. / Les normatives anticontaminants per al transport propulsat per motors de combustió interna alternatius a la Unió Europea mostren límits d'emissió menors a 95 g·CO2/km per a l'any 2020. Per tal d'acomplir aquests límits, s'hauran de realitzar millores al consum de combustible dels vehicles. Una de les principals pèrdues als Motors de combustió interna alternatius (MCIA) ocorre a la línia d'escapament. Els MCIA transformen l'energia química en energia mecànica a través de la combustió; però, únicament el 15-32% d'aquesta energia és usada per produir treball, mentre que la major part és desaprofitada a través dels gasos d'escapament i l'aigua de refrigeració del motor. Per això, aquestes fonts d'energia poden ser utilitzades per millorar l'eficiència global del vehicle. Considerant aquestes dues fonts d'energia, els gasos d'escapament mostren un potencial major de recuperació d'energia residual debut al seu major contingut exergètic. De tots els tipus de Sistemes de Recuperació d'Energia Residual, els Cicles Rankine són considerats com els candidats més prometedors per millorar l'eficiència dels MCIA. No obstant, la implementació d'aquesta tecnologia en els vehicles de passatgers moderns requereix un desenvolupament addicional per aconseguir una integració compacta i una bona controlabilitat del motor. Mentre que les aplicacions industrials normalment operen en punts d'operació estacionaris, en el cas dels vehicles amb MCIA hi han importants reptes a solucionar tenint en compte el funcionament en condicions variables del motor i el seu impacte en la manera de conducció quotidiana del usuari. Aquesta Tesi contribueix al coneixement i caracterització d'un Cicle Rankine Orgànic (ORC) acoblat amb un motor de combustió interna alternatiu (MCIA) utilitzant etanol com a fluid de treball i un expansor tipus Swash-plate com a màquina expansora. El principal objectiu d'aquest treball de recerca és obtenir i quantificar el potencial dels ORCs per a la recuperació de l'energia residual en motors d'automoció. Per aconseguir-ho, una instal·lació experimental amb un ORC va ser dissenyada i construïda a l'Institut "CMT- Motores Térmicos" (Universitat Politècnica de València). Esta installació pot ser acoblada a diferents tipus de MCIAs. Mitjançant assajos experimentals en aquesta installació, una estimació de les principals variables del cicle va ser obtinguda tant en punts estacionaris com en punts transitoris. Un potencial de millora al voltant d'un 3.7% pot ser aconseguida en punts d'alta càrrega instal·lant un ORC acoblat a un motor gasolina turboalimentat. Pel que fa a les condicions transitòries, un control senzill i robust basat en PIDs adaptatius permet el control del ORC en perfils de conducció reals. Les condicions ideals per a testejar i validar el control de l'ORC són alta càrrega al motor començant amb el motor en calent per aconseguir altes temperatures d'escapament que justifiquen la viabilitat d'aquests cicles. Per tractar d'aprofundir en la viabilitat i característiques d'aquesta aplicació particular, diversos estudis teòrics van ser realitzats. Un model 1D va ser desenvolupat usant el programari LMS Imagine.Lab Amesim. Un potencial de millora al voltant d'un 2.5% en el rendiment efectiu del motor va ser obtingut en condicions transitòries en els punts d'alta càrrega com una conseqüència directa de la reducció de 23.5 g/kWh al consum específic. Per concloure, un estudi termo-econòmic va ser desenvolupat tenint en compte els costos dels principals elements de la installació i un valor mínim de 2030 €/kW va ser obtingut en el paràmetre del Cost Específic d'Inversió. A més, l'estudi exergètic mostra que un total de 3.75 kW, 36.5% de la taxa de destrucció total d'exergia, podria ser recuperat en un pròxim, considerant restriccions tècniques en els components del cicle i tenint en compte les màximes eficiències que es poden aconseguir. / Royo Pascual, L. (2017). Study of Organic Rankine Cycles for Waste Heat Recovery in Transportation Vehicles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84013

From the last decades of the 20th century, internal combustion engines have undergone a continuous improvement process aimed to the increase of their efficiency and decrease of the pollutants emissions. The reduction of the availability of fossil fuel and the increase of human-made pollution observed in the last decades is leading worldwide to more stringent emission standards that make the engine manufacturers to constantly look for fuel consumption and emission reductions while keeping engine performance. To comply with current and incoming emission regulations, the exhaust line of internal combustion engines has been gradually complicated by the presence of aftertreatment systems. Among them, the particulate filter is the device in charge of abating the emission of soot in the atmosphere. Concerning compression ignition engines, diesel particulate filters (DPF) were first commercially utilized in significant numbers in passenger car and heavy-duty engines since the beginning of the 21st century. Euro 6 emission standards limits the emitted particulate matter from direct injection engines, thus extending the use of particulate filters also to direct injection gasoline engines. A deep knowledge of the phenomena happening inside the DPF is required for the correct understanding of the behaviour of this system and its interaction with the engine. The precise knowledge of the filtration and pressure drop processes is mandatory for the design of the particulate filter and is also essential to wisely think up and analyse solutions aimed to limit the negative impact of the filter on the fuel consumption maintaining its capability of retaining soot particles. Thus, the present work pretends to provide a contribution to the understanding of these phenomena in wall-flow DPFs. The problem has been faced on a computational and experimental basis. A notable part of the work was dedicated to the development and validation of a one-dimensional DPF filtration model to be coupled with the existing pressure drop model. The model was implemented in OpenWAM¿, the open-source gas dynamics software for internal combustion engines and components computation developed at CMT - Motores Térmicos. The developed computational tool was applied to the assessment of the aftertreatment (DOC&DPF) volume downsizing potential in post- and pre-turbo aftertreatment configuration. The study is completed with experimental analysis to support theoretical insights discussing how the soot deposition profile and the particulate layer properties impact on the DPF pressure drop. / Desde las últimas décadas del siglo XX, se ha producido un proceso de mejora continua de los motores de combustión interna alternativos con el fin de aumentar su eficiencia y reducir las emisiones contaminantes. La reducción de la disponibilidad de combustibles fósiles y el incremento de la polución de origen antropogénico observados en las ultimas décadas ha provocado el progresivo endurecimiento de las normativas anticontaminación a nivel mundial obligando a los fabricantes de motores a buscar la reducción continua del consumo de combustible y emisiones, manteniendo las prestaciones del motor. El cumplimiento de las actuales y futuras normativas anticontaminación requiere de la instalación de diversos sistemas de postratamiento de gases en la línea de escape de los motores de combustión interna alternativos, aumentando su complejidad. Entre estos sistemas, el filtro de partículas es el equipo encargado de la reducción de la emisión de hollín a la atmósfera. Con respeto a los motores de encendido por compresión, los filtros de partículas diésel se implementaron por primera vez de forma masiva en vehículos de pasajeros y vehículos pesados a principio del siglo XXI. La normativa anti contaminación Euro 6 limita las emisiones de partículas de los motores de inyección directa, extendiendo el uso de filtros de partículas a los motores de inyección directa de gasolina. Es necesario tener un conocimiento profundo de los fenómenos que tienen lugar en el DPF para comprender el comportamiento de este sistema y su interacción con el motor. El conocimiento de los procesos de filtrado y perdida de presión es vital para el diseño del filtro de partículas y resulta esencial para encontrar y analizar soluciones que ayuden a limitar el impacto negativo del DPF sobre el consumo de combustible sin perder la capacidad de retener partículas de hollín. En este contexto, este trabajo pretende aportar una contribucción a la comprensión de estos fenómenos en filtros de partículas de flujo de pared. Esta tarea se ha planteado desde un punto de vista computacional y experimental. Parte importante de este trabajo ha consistido en el desarrollo y validación de un modelo de filtrado unidimensional de DPF que se ha acoplado con el modelo de caida de presión ya existente. El modelo se ha implementado en OpenWAM¿, el software de libre acceso para el cálculo fluidodinámico de motores de combustión interna y sus componentes desarrollado en CMT - Motores Térmicos. La herramienta computacional desarrollada se ha aplicado a la evaluación del potencial de reducción de volumen de sistemas de postratamiento (DOC&DPF) en configuraciones post- y pre-turbo. Este estudio se ha completado con un análisis experimental para dar respaldo a los conceptos teóricos empleados discutiendo como el perfil de deposición del hollín y las propiedades de la capa de partículas afectan a la perdida de presión del DPF. / Des les últimes dècades del segle XX, s'ha produït un procés de millora contínua dels motors de combustió interna alternatius amb l'objectiu d'augmentar la seua eficiència i reduir les emissions contaminants. La reducció de la disponibilitat de combustibles fòssils i l'increment de la polució d'origen antropòlogic observats en les últimes dècades ha provocat que les normatives anticontaminació s'han fet més rígides a nivell mundial, obligant als fabricants de motors a buscar la reducció contínua del consum de combustibles i emissions, mantenint les prestacions dels motors. El cumpliment de les normes anticontaminació actuals i futures, requereixen de l'instalació de diversos sistemes de post-tractament de gasos a l'eixida dels motors de combustió interna alternatius, llavors augmentant la complexitat. Entre aquestos sistemes, el filtre de partícules es l'equip encarregat de la reducció de les partícules de sutge a l'atmosfera. Respecte als motors d'encès per compressió, els filtres de partícules van instalar-se de manera massiva als vehicles de passatgers i vehicles pesats al principi del segle XXI. La normativa anti contaminació Euro 6 limita les emissions de partícules dels motors d'inyecció directa, estenent l'ús del filtre de partícules als motors d'injecció directa de gasolina. És necessari tindre un coneixement dels fenòmens que tenen lloc al DPF per a comprendre el comportament del sistema i la seua interacció amb el motor. El coneixement dels processos de filtrat i la pèrdua de pressió és vital per al diseny del filtre de partícules i resulta essencial per a trobar i analitzar les solucions que ajuden a limitar l'impacte negatiu del DPF sobre el consum de combustible sense perdre la capacitat de retenir partícules de sutge. En aquest context, el projecte pretén aportar una contribució a la comprensió d'aquestos fenòmens en els filtres de partícules de flux de paret. Aquesta feina s'ha plantejat des d'un punt de vista computacional i experimental. Part important d'aquest treball ha consistit en el desenvolupament i validació d'un model de filtrat unidimensional de DPF que s'ha acoplat a un model de pèrdua de pressió existent. El model s'ha implementat en OpenWAM¿, el software de lliure accés per al cálcul fluidodinámic de motors de combustió interna i els seus components desenvolupats al CMT - Motores Térmicos. La ferramenta computacional desenvolupada s'ha aplicat a la evaluació del potencial de reducció del volum de sistemes de post tractament (DOC&DPF) en les configuracions post- i pre-turbo. Aquest estudi s'ha completat amb una anàlisi experimental per a donar suport als concepts teòrics emprats discutint com el perfil de la disposició de sutge i les propietats de la capa de partícules que afecten a la pèrdua de pressió del DPF. / Angiolini, E. (2017). Contribution to the understanding of filtration and pressure drop phenomena in wall-flow DPFs [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86157

Contamination is becoming an important problem in great metropolitan areas. A large portion of the contaminants is emitted by the vehicle fleet. At European level, as well as in other economical areas, the regulation is becoming more and more restrictive. Euro regulations are the best example of this tendency. Specially important are the emissions of nitrogen oxide (NOx) and Particle Matter (PM). Two different strategies exist to reduce the emission of pollutants. One of them is trying to avoid their creation. Modifying the combustion process by means of different fuel injection laws or controlling the air regeneration are the typical methods. The second set of strategies is focused on the contaminant elimination. The NOx are reduced by means of catalysis and/or reducing atmosphere, usually created by injection of urea. The particle matter is eliminated using filters. This thesis is focused in this matter. Most of the strategies to reduce the emission of contaminants penalise fuel consumption. The particle filter is not an exception. Its installation, located in the exhaust duct, restricts the pass of the air. It increases the pressure along the whole exhaust line before the filter reducing the performance. Optimising the filter is then an important task. The efficiency of the filter has to be good enough to obey the contaminant normative. At the same time the pressure drop has to be as low as possible to optimise fuel consumption and performance. The objective of the thesis is to find the relation between the micro-structure and the macroscopic properties. With this knowledge the optimisation of the micro-structure is possible. The micro-structure of the filter mimics acicular mullite. It is created by procedural generation using random parameters. The relation between micro-structure and the macroscopic properties such as porosity and permeability are studied in detail. The flow field is solved using LabMoTer, a software developed during this thesis. The formulation is based on Lattice Botlzmann Methods, a new approach to simulate fluid dynamics. In addition, Walberla framework is used to solve the flow field too. This tool has been developed by Friedrich Alexander University of Erlangen Nürnberg. The second part of the thesis is focused on the particles immersed into the fluid. The properties of the particles are given as a function of the aerodynamic diameter. This is enough for macroscopic approximations. However, the discretization of the porous media has the same order of magnitude than the particle size. Consequently realistic geometry is necessary. Diesel particles are aggregates of spheres. A simulation tool is developed to create these aggregated using ballistic collision. The results are analysed in detail. The second step is to characterise their aerodynamic properties. Due to the small size of the particles, with the same order of magnitude than the separation between molecules of air, the fluid can not be approximated as a continuous medium. A new approach is needed. Direct Simulation Monte Carlo is the appropriate tool. A solver based on this formulation is developed. Unfortunately complex geometries could not be implemented on time. The thesis has been fruitful in several aspects. A new model based on procedural generation has been developed to create a micro-structure which mimics acicular mullite. A new CFD solver based on Lattice Boltzmann Methods, LabMoTer, has been implemented and validated. At the same time it is proposed a technique to optimized setup. Ballistic agglomeration process is studied in detail thanks to a new simulator developed ad hoc for this task. The results are studied in detail to find correlation between properties and the evolution in time. Uncertainty Quantification is used to include the Uncertainty in the models. A new Direct Simulation Monte Carlo solver has been developed and validated to calculate rarefied flow. / La contaminación se está volviendo un gran problema para las grandes áreas metropolitanas, en gran parte debido al tráfico. A nivel europeo, al igual que en otras áreas, la regulación es cada vez más restrictiva. Una buena prueba de ello es la normativa Euro de la Unión Europea. Especialmente importantes son las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM). La reducción de contaminantes se puede abordar desde dos estrategias distintas. La primera es la prevención. Modificar el proceso de combustión a través de las leyes de inyección o controlar la renovación de la carda son los métodos más comunes. La segunda estrategia es la eliminación. Se puede reducir los NOx mediante catálisis o atmósfera reductora y las partículas mediante la instalación de un filtro en el conducto de escape. La presente tesis se centra en el estudio de éste último. La mayoría de as estrategias para la reducción de emisiones penalizan el consumo. El filtro de partículas no es una excepción. Restringe el paso de aire. Como consecuencia la presión se incrementa a lo largo de toda la línea reduciendo las prestaciones del motor. La optimización del filtro es de vital importancia. Tiene que mantener su eficacia a la par que que se minimiza la caída de presión y con ella el consumo de combustible. El objetivo de la tesis es encontrar la relación entre la miscroestructura y las propiedades macroscópicas del filtro. Las conclusiones del estudio podrán utilizarse para optimizar la microestructura. La microestructura elegida imita los filtros de mulita acicular. Se genera por ordenador mediante generación procedimental utilizando parámetros aleatorios. Gracias a ello se puede estudiar la relación que existe entre la microestructura y las propiedades macroscópicas como la porosidad y la permeabilidad. El campo fluido se resuelve con LabMoTer, un software desarrollado en esta tesis. Está basado en Lattice Boltzmann, una nueva aproximación para simular fluidos. Además también se ha utilizado el framework Walberla desarrollado por la universidad Friedrich Alexander de Erlangen Nürnberg. La segunda parte de la tesis se centra en las partículas suspendidas en el fluido. Sus propiedades vienen dadas en función del diámetro aerodinámico. Es una buena aproximación desde un punto de vista macroscópico. Sin embargo éste no es el caso. El tamaño de la discretización requerida para calcular el medio poroso es similar al tamaño de las partículas. En consecuencia se necesita simular geometrías realistas. Las partículas Diesel son agregados de esferas. El proceso de aglomeración se ha simulado mediante colisión balística. Los resultados se han analizado con detalle. El segundo paso es la caracterización aerodinámica de los aglomerados. Debido a que el tamaño de las partículas precursoras es similar a la distancia entre moléculas el fluido no puede ser considerado un medio continuo. Se necesita una nueva aproximación. La herramienta apropiada es la Simulación Directa Monte Carlo (DSMC). Por ello se ha desarrollado un software basado en esta formulación. Desafortunadamente no ha habido tiempo suficiente como para implementar condiciones de contorno sobre geometrías complejas. La tesis ha sido fructífera en múltiples aspectos. Se ha desarrollado un modelo basado en generación procedimental capaz de crear una microestructura que aproxime mulita acicular. Se ha implementado y validado un nuevo solver CFD, LabMoTer. Además se ha planteado una técnica que optimiza la preparación del cálculo. El proceso de aglomeración se ha estudiado en detalle gracias a un nuevo simulador desarrollado ad hoc para esta tarea. Mediante el análisis estadístico de los resultados se han planteado modelos que reproducen la población de partículas y su evolución con el tiempo. Técnicas de Cuantificación de Incertidumbre se han empleado para modelar la dispersión de datos. Por último, un simulador basado / La contaminació s'està tornant un gran problema per a les grans àrees metropolitanes, en gran part degut al tràfic. A nivell europeu, a l'igual que en atres àrees, la regulació és cada volta més restrictiva. Una bona prova d'això és la normativa Euro de l'Unió Europea. Especialment importants són les emissions d'òxits de nitrogen (NOX) i partícules (PM). La reducció de contaminants se pot abordar des de dos estratègies distintes. La primera és la prevenció. Modificar el procés de combustió a través de les lleis d'inyecció o controlar la renovació de la càrrega són els mètodos més comuns. La segona estratègia és l'eliminació. Se pot reduir els NOX mediant catàlisis o atmòsfera reductora i les partícules mediant l'instalació d'un filtre en el vas d'escap. La present tesis se centra en l'estudi d'este últim. La majoria de les estratègies per a la reducció d'emissions penalisen el consum. El filtre de partícules no és una excepció. Restringix el pas d'aire. Com a conseqüència la pressió s'incrementa a lo llarc de tota la llínea reduint les prestacions del motor. L'optimisació del filtre és de vital importància. Ha de mantindre la seua eficàcia a la par que que es minimisa la caiguda de pressió i en ella el consum de combustible. L'objectiu de la tesis és trobar la relació entre la microescritura i les propietats macroscòpiques del filtre. Les conclusions de l'estudi podran utilisar-se per a optimisar la microestructura. La microestructura elegida imita els filtres de mulita acicular. Se genera per ordenador mediant generació procedimental utilisant paràmetros aleatoris. Gràcies ad això es pot estudiar la relació que existix entre la microestructura i les propietats macroscòpiques com la porositat i la permeabilitat. El camp fluït se resol en LabMoTer, un software desenrollat en esta tesis. Està basat en Lattice Boltzmann, una nova aproximació per a simular fluïts. Ademés també s'ha utilisat el framework Walberla, desentollat per l'Universitat Friedrich Alexander d'Erlangen Nürnberg. La segona part de la tesis se centra en les partícules suspeses en el fluït. Les seues propietats venen donades en funció del diàmetro aerodinàmic. És una bona aproximació des d'un punt de vista macroscòpic. No obstant este no és el cas. El tamany de la discretisació requerida per a calcular el mig porós és similar al tamany de les partícules. En conseqüència es necessita simular geometries realistes. Les partícules diésel són agregats d'esferes. El procés d'aglomeració s'ha simulat mediant colisió balística. Els resultats s'han analisat en detall. El segon pas és la caracterisació aerodinàmica dels aglomerats. Degut a que el tamany de les partícules precursores és similar a la distància entre molècules el fluït no pot ser considerat un mig continu. Se necessita una nova aproximació. La ferramenta apropiada és la Simulació Directa Monte Carlo (DSMC). Per això s'ha desenrollat un software basat en esta formulació. Malafortunadament no ha hagut temps suficient com per a implementar condicions de contorn sobre geometries complexes. La tesis ha segut fructífera en múltiples aspectes. S'ha desenrollat un model basat en generació procedimental capaç de crear una microestructura que aproxime mulita acicular. S'ha implementat i validat un nou solver CFD, LabMoTer. Ademés s'ha plantejat una tècnica que optimisa la preparació del càlcul. El procés d'aglomeració s'ha estudiat en detall gràcies a un nou simulador desenrollat ad hoc per ad esta tasca. Mediant l'anàlisis estadístic dels resultats s'han plantejat models que reproduixen la població de partícules i la seua evolució en el temps. Tècniques de Quantificació d'Incertea s'han empleat per a modelar la dispersió de senyes. Per últim, un simulador basat en DSMC s'ha desenrollat per a calcular fluïts rarificats. / García Galache, JP. (2017). Study of the flow field through the wall of a Diesel particulate filter using Lattice Boltzmann Methods [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90413

[ES] Esta tesis evalúa ciclos de producción de oxígeno que usan membranas en tres contextos industriales, enfatizando en la producción de potencia operando bajo oxicombustión. La principal motivación es reducir las emisiones contaminantes sin afectar el desempeño del sistema. Se ha realizado un análisis termoeconómico de un ciclo de producción de oxígeno basado en membranas para evaluar la viabilidad de estas instalaciones en una planta de cerámica. El ciclo se impulsa por gases reciclados de la planta y usa turbogrupos e intercambiadores de calor para comprimir y calentar el aire para extraer su oxígeno. Dos configuraciones han sido estudiadas, encontrándose un costo óptimo de producción de 31e/t, competitivo cuando se considera un precio medio de mercado de 50e/t. Comparado con otros métodos de producción de oxígeno, este ciclo es competitivo en lo que respecta a la pureza y producción del oxígeno y el consumo energético. Esto motivó el estudio de configuraciones similares operando en dos contextos de generación de potencia que usan con oxicombustión: una planta de generación eléctrica y un motor de encendido provocado. En el primer contexto, se compara el desempeño de dos métodos de producción de oxígeno, operando en una planta de generación eléctrica (Ciclo Graz), que usa separación criogénica de aire como fuente de oxígeno, siendo el caso base del análisis. Se consideran dos configuraciones de membrana: de tres y cuatro entradas, cuya fuente de energía es un flujo de temperatura media dentro del ciclo de potencia. La configuración con una membrana de tres entradas mejora la eficiencia del caso base en un 0.61 %, y la de cuatro entradas en un 2.3 %. La producción de oxígeno requiere un menor consumo energético que en el caso base en las configuraciones de membrana, aumentando la salida de potencia neta del caso base. Por tanto, la producción de oxígeno con membranas muestra un desempeño prometedor, con una posible integración con una planta de producción de potencia que trabaja con oxicombustión. En el segundo contexto, el ciclo de membrana se acopla a un motor de encendido provocado. Distintas condiciones de operación son evaluadas en términos del consumo de combustible y disponibilidad de energía para la producción de oxígeno. La fuente de energía del ciclo de membrana es el flujo de gases de escape del motor. Primeramente, distintas concentraciones de oxígeno y relaciones de compresión del motor son estudiadas a un régimen medio, comparando el desempeño con la operación convencional del motor. Una concentración media (30 %) fue hallada como óptima en el estudio, cuyas condiciones de operación permiten un aumento considerable de la relación de compresión del motor. En segundo lugar, se realiza un estudio de plena carga del motor en un rango amplio de regímenes de giro del motor. El motor de oxicombustión alcanza una operación sostenible en los regímenes estudiados, alcanzando los valores de referencia de plena carga. Se han obtenido consumos de combustible similares al caso convencional más eficiente cuando la relación de compresión es elevada en el caso de oxicombustión. En tercer lugar, se han encontrado límites operativos en cargas parciales y altitud. La tendencia de consumo de combustible del caso con oxicombustión es similar a un motor convencional sobrealimentado a cargas parciales, mejorando el desempeño de un motor de aspiración natural. La menor carga alcanzable esta entre 40-50% de la máxima carga, dependiendo de la relación de compresión del motor. Por otro lado, el sistema muestra un desempeño adecuado hasta los 4000 m de altitud. Se concluye que el ciclo de producción de oxígeno basado en membranas de separación de aire muestra flexibilidad para operar en un amplio rango de energía disponible, mostrando un desempeño adecuado de acuerdo con los requerimientos del sistema. Adicionalmente, se encuentran posibles ventajas en cuanto al consumo de energía y costos operativos realizando un diseño cuidadoso. / [CA] Aquesta tesi avalua cicles de producció d'oxigen que usen membranes en tres contextos industrials, emfatitzant en la producció de potencia operant amb oxicombustió. La principal motivació es reduir les emissions contaminants sense afectar el funcionament del sistema.S'ha realitzat una anàlisi termoeconómico d'un cicle de producció d'oxigen basat en membranes per a avaluar la viabilitat d'aquestes instal·lacions en una planta de ceràmica. El cicle s'impulsa per gasos reciclats de la planta i usa turbogrupos i intercanviadors de calor per a comprimir i calfar l'aire per a extraure el seu oxigen. Dues configuracions han sigut estudiades i s'ha trobat un cost òptim de producció d'oxigen de 31e/t, que es competitiu quan es considera un preu de mercat de 50e/t. Comparat amb altres mètodes de producció d'oxigen, aquest cicle mostra un comportament competitiu pel que fa a puresa d'oxigen, producció i consum energètic. Això va motivar l'estudi de configuracions similars operant en dos contexts diferents de generació de potencia que operen amb oxicombustió: una planta de generació elèctrica i un motor d'encesa provocada.En el primer context, s'ha comparat el funcionament de dos mètodes de producció d'oxigen diferents, operant amb una planta de generació elèctrica (cicle Graz), que usa separació criogènica d'aire com a font d'oxigen, sent el cas base de l'anàlisi. S'han considerat dues configuracions de membrana: de tres i quatre entrades, la font d'energia de les quals és un flux de temperatura mitjana dins del cicle de potència. La configuració amb una membrana de tres entrades millora l'eficiència del cas base amb un 0.61 %, mentre que la de quatre entrades comporta una millora d'un 2.3 %. La producció d'oxigen requerix menys consum energètic que en el cas base en les dues configuracions de membrana, augmentant l'eixida de potencia neta del cas base. Per tant, la producció d'oxigen amb membranes mostra un funcionament prometedor, amb una possible integració amb una planta de producció de potencia que treballa amb oxicombustió.En el segon context, el cicle de membrana s'acobla a un motor d'encesa provocada. Diferents condicions d'operació han sigut avaluades en termes de consum de combustible i disponibilitat d'energia per a la producció d'oxigen. La font d'energia per a la producció d'oxigen es el flux de gasos d'escapament del motor. Primerament, diferents concentracions d'oxigen i relacions de compressió del motor han sigut estudiades a un regim mitja, comparant el funcionament amb el d'un motor convencional. Una concentració mitjana (30%) va ser trobada com a òptima en l'estudi, les condicions d'operació del qual permeten un augment considerable de la relació de compressió del motor. En segon lloc, s'ha realitzat un estudi a plena carrega del motor en un rang ampli de règims de gir del motor. El motor d'oxicombustió aconseguix una operació sostenible en els règims estudiats, aplegant als valors de referencia a plena carrega. S'han obtingut consums de combustible similars al cas d'operació convencional mes eficient quan la relació de compressió es elevada en el cas d'oxicombustió.En tercer lloc, s'han trobat límits operatius referents a l'operació a carregues parcials i altitud. La tendència de consum de combustible del cas amb oxicombustió es similar a la d'un motor convencional sobrealimentat a carregues parcials, mentre que millora el funcionament d'un motor d'aspiració natural. La menor carrega assolible esta entre 40-50% de la màxima carrega, depenent de la relació de compressió del motor. Per una altra banda, el sistema mostra un funcionament adequat fins als 4000m d'altitud. Es pot dir que el cicle de producció d'oxigen basat en membranes de separació d'aire mostra flexibilitat per a operar en un rang ampli d'energia disponible, mostrant un funcionament adequat d'acord amb els requeriments del sistema. Addicionalment, es poden trobar posibles avantatges en consum d'energia i costs operatius realitzant un disseny cuidadós. / [EN] This thesis assesses oxygen production cycles based on membranes in three industrial situations, emphasizing power production operating under oxycombustion. The primary motivation is the reduction of pollutant emissions while not affecting the system's thermal efficiency.Thus, a thermoeconomic analysis of a membrane-based oxygen production cycle is performed to assess the viability of these facilities in the context of a ceramic plant. The cycle is driven by recycling gases within the plant and uses turbochargers and heat exchangers to compress and heat the air for oxygen obtention. Two configurations were studied, finding an optimum oxygen production cost of 31e/t was found, being competitive when compared with an average wholesale market price of 50e/t. Compared with other oxygen production methods, this cycle exhibits a competitive behavior regarding oxygen purity, production, and energy consumption. The promising results of this analysis motivate the study of similar configurations working in two oxycombustion contexts: a power plant and a spark-ignition engine. Two oxygen production methods operating with a power production plant (Graz cycle) are compared in the first context. The power plant uses cryogenic air separation as its oxygen source, the baseline in this analysis. Therefore, two membrane configurations are considered: three-end and four-end membranes. A medium-temperature stream within the power production cycle is the energy source to drive the membrane cycles. Both cases are compared with the baseline Graz cycle operation. The three-end membrane-based cycle improves the baseline efficiency by 0.61% and the four-end by 2.30 %. The oxygen production requires less power consumption in the membrane cases than in the baseline, increasing the net power output. Thus, membrane-based cases display a promising performance, with possible integration within an oxycombustion power plant. In the second context, the membrane-based cycle is coupled within an oxycombustion spark-ignition engine, where different operation conditions are evaluated regarding fuel consumption and energy availability for oxygen production. The energy source to drive the membrane-based cycle is the exhaust gases stream. As a first step, different oxygen concentrations and engine compression ratios are studied at medium speed, comparing the performance with the engine's conventional operation. Medium oxygen concentration (30 %) was found to be optimum. This concentration allows the operation at a high engine compression ratio. Secondly, a full-load study in a wide range of engine speeds is made. The oxycombustion engine achieves a sustainable operation at the studied speeds, reaching the reference full-load power values. Similar fuel consumptions regarding the most efficient conventional case are achieved when the engine compression ratio is elevated under oxycombustion. Thirdly, operative limits regarding part-load and altitude operation are found. The fuel consumption behavior of the oxycombustion case is similar to a conventional turbocharged engine at part-load while improving a naturally aspirated engine operation. The minimum achievable load is between 40 to 50% of the maximum load, depending on the engine compression ratio. The membrane cycle operation is affected at lower loads. On the other hand, the system shows a suitable performance up to 4000 m. Thus, it can be concluded that the membrane-based oxygen production cycle exhibits flexibility to work in a wide range of available energy, displaying a suitable performance according to the requirements. Additionally, possible advantages in energy consumption and operative costs could be found when a careful design is performed. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract ACIF/2020/246 of the Conselleria d’Innovació, Universitats, Ciència i Societat Digital. / Gutiérrez Castro, FA. (2023). Assessment of highly turbocharged oxygen production cycles coupled with power generation systems working under oxycombustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/200173

A estratégia da política pública de longo prazo para o setor aeroespacial compreende, historicamente, uma variável fundamental para organização e desenvolvimento dessas atividades em todos países que contam com esses segmentos industriais, inclusive o Brasil. A partir de meados dos anos 2000, a retomada das políticas industriais setoriais, como diretriz para o desenvolvimento econômico no Brasil, marcou um novo cenário em relação aos anos 90, com a implementação de estratégias baseadas nas características e nos desafios para as atividades. Essas novas diretrizes envolveram também o setor aeroespacial. O tema do presente trabalho é a estratégia para o Setor Aeroespacial Brasileiro, entendida como a apreciação das escolhas e objetivos da política industrial. O problema de pesquisa, por sua vez, consiste na análise comparada da estratégia brasileira e na formulação de considerações para uma avaliação abrangente da política, tendo como referência a experiência canadense. O objetivo do estudo é comparar a concepção estratégica para o setor aeroespacial estabelecido no Brasil pela Política de Desenvolvimento Produtivo (PDP) em 2008 em relação National Aerospace and Defence Framework (NADF), que foi instituída no Canadá, em 2005. A justificativa para escolha da referência canadense é fundada nas semelhanças em relação orientação da produção e características configuração setorial. Nesse contexto o estudo descreve a evolução e apresenta as especificidades do sistema de produção aeroespacial do Brasil e do Canadá; analisa as diretrizes políticas e estratégias para o setor, empreendidas pelos países, tendo como referência os objetivos de política setorial; e compara os programas e ações para o setor, desenvolvidos no contexto da PDP (Brasil) e da NADF (Canadá). Entre as constatações derivadas da análise podemos destacar as diferenças no conceito de autonomia associados à políticas empreendidas no Brasil e no Canadá; a participação das médias empresas e das subsidiárias estrangeiras no tecido produtivo; e a configuração da infraestrutura e serviços de apoio entre os países. Particularmente, em relação às políticas, há diferenças importantes em relação aos objetivos; requisitos e forma de seletividade das ações; e articulação dos instrumentos para consecução dos objetivos. Entre as considerações críticas para avaliação da política no Brasil, formuladas com base experiência canadense, destacam-se a ausência de um projeto integrado para o setor aeroespacial e definição de metas em relação às variáveis básicas de performance da atividade industrial; o foco excessivo nos produtos e a pouca ênfase nos processos de construção de competências para inserção nas cadeias internacionais de valor; e a visão limitada dos elementos institucionais necessários para viabilizar a produção aeroespacial no longo prazo. / The strategy of long-term public policy for the aerospace sector comprises Historically, a key variable for organization and development of these activities in all countries that have these industry segments, including Brazil. From the mid 2000s, the resumption of sectorial industrial policies, as a guideline for economic development in Brazil, marked a new scenario for the years 1990, with the implementation of strategies based on the characteristics and challenges for the activities. These new guidelines also involved the aerospace sector. The theme of this work is the strategy for the Brazilian Aerospace, understood as the appreciation of the choices and goals of industrial policy. The research problem, in turn, is the comparative analysis of Brazil\'s strategy and the design considerations for a comprehensive policy, with reference to the Canadian experience. The objective is to compare the strategic design for the aerospace sector in Brazil established by the Production Development Policy (PDP) in 2008 for the National Aerospace and Defence Framework (NADF), which was established in Canada in 2005. The rationale for choosing the Canadian reference is based on similarities between production orientation and configuration features sector. In this context, the study describes the evolution and presents the system specifications in the aerospace in Brazil and Canada, examines the policy guidelines and strategies for the sector, undertaken by countries with reference to the objectives of sector policy, and compares the programs and actions for the sector, developed in the context of the PDP (Brazil) and NADF (Canada). Among the findings derived from the analysis can highlight the differences in the concept of autonomy associated with the policies undertaken in Brazil and Canada, and the participation of medium-sized enterprises and foreign subsidiaries in the productive fabric, and configuration of infrastructure and support services between countries. Particularly in relation to policies, there are important differences in relation to the objectives; requirements and form of selective measures, and articulation of the instruments for achieving the goals. Among the critical considerations for policy evaluation in Brazil, formulated based on Canadian experience, we highlight the lack of an integrated project for the aerospace and setting targets in relation to the basic variables of performance of industrial activity, the excessive focus on products and little emphasis on the processes of building skills for insertion in international value chains, and the limited vision of institutional elements needed to make production viable in the long term aerospace.

Introdução: Apesar do usuário de implante coclear (IC) apresentar limiares tonais audiométricos compatíveis com os critérios exigidos para pilotos à obtenção do certificado médico aeronáutico (CMA), a inteligibilidade da fala via rádio no ambiente de ruído da aeronave pode não ser suficiente para uma boa comunicação. As regras de aptidão para o CMA de pilotos de 1ª classe constam no manual da Organização Internacional da Aviação Civil (ICAO): devem escutar em cada um dos ouvidos separadamente, até 35 dB NA nas frequências de 500, 1 000 e 2 000 Hz, e até 50 dB NA em 3 000 Hz. Pilotos também podem ser aprovados em teste de inteligibilidade no ruído com exigência mínima de acerto de 80% das palavras foneticamente equilibradas. Objetivos: (1) avaliar se implantados, que atingem limiares tonais exigidos pela ICAO, tem inteligibilidade da fala suficiente para comunicação via rádio, na situação de ruído da cabine do helicóptero; (2) avaliar se recursos de atenuação de ruído otimizam a inteligibilidade da fala de usuários de IC; (3) avaliar se a comunicação pelo rádio prejudica a inteligibilidade de usuários de IC. Métodos: Foi avaliada a performance em testes de inteligibilidade de 12 usuários de IC com surdez pós-lingual, que preencheram os critérios audiométricos da ICAO, e de 3 pilotos normo-ouvintes (controles). Realizamos testes com sentenças, números e dissílabos em diferentes situações: no silêncio da cabine audiométrica, no helicóptero desligado (testes via rádio), no helicóptero ligado sem e com ativação do sistema antirruído do fone e no helicóptero ligado através da conexão direta do processador de fala do IC ao sistema de rádio da aeronave. Resultados: Observamos diferenças significativas para todos os testes realizados quando comparamos as respostas no silêncio e na situação de ruído com o helicóptero ligado. Ao reduzirmos a exposição de ruído, ativando o sistema antirruído do fone, observamos melhora significativa apenas para as frases. Já quando reduzimos ao máximo a exposição ao ruído pela conexão direta via cabo entre o implante e o sistema de rádio da aeronave, houve melhora significativa nos resultados para números e dissílabos. Houve piora significativa nos testes com dissílabos na situação do helicóptero desligado (rádio) em relação à cabine audiométrica. Conclusões: Os usuários de IC não alcançaram níveis de inteligibilidade de fala compatíveis com os requisitos auditivos para pilotos da aviação civil nos testes realizados no helicóptero. Os recursos de atenuação de ruído propostos auxiliaram na inteligibilidade de fala dos usuários de IC. A comunicação pelo rádio interferiu de forma significativa na inteligibilidade dos usuários de IC / Introduction: Although the cochlear implant (CI) user meets audiometric thresholds for the criteria required for pilots, the speech recognition through the radio in the aircraft noise condition may not be sufficient for good communication. Rules for 1st class pilots are given in the International Civil Aviation Organization (ICAO) manual: they must hear in each ear separately, up to 35 dB NA at 500, 1 000 and 2 000 Hz, and up to 50 dB NA at 3 000 Hz. Pilots can also be fit if they understand at least 80% of the phonetically balanced words against a background noise. Objectives: (1) to assess if CI users, who reach thresholds required by the ICAO also achieve speech recognition levels good for radio communication in the noise situation of the helicopter cockpit; (2) to evaluate if noise attenuation features optimize the speech recognition of CI users; (3) evaluate whether radio communication affects the speech recognition of CI users. Methods: We evaluated the performance of 12 CI users with post-lingual deafness, who met ICAO audiometric criteria, and three normal hearing (control) pilots in intelligibility tests. We performed tests with sentences, numbers and disyllables in different situations: in the quiet (sound proof booth), in the helicopter with the engine off (radio tests), in the helicopter with the engine running, without and with activation of the anti-noise system of the headphones and in the helicopter (engine turned on) through the direct connection of the speech processor of the CI to the aircraft\'s radio system. Results: We observed significant differences for all tests performed when we compared scores in quiet and in the noisy environment of the helicopter with engine turned on. When the noise exposure was reduced by activating the headphones anti-noise system, we observed significant improvement only for the sentences. We found a significant improvement in the results for numbers and disyllables when we reduced the exposure to noise by the direct cable connection between the CI and the aircraft radio system. We also observed a significant worsening in the disyllabic speech perception in the helicopter even with the engine off (quiet).Conclusions: In the helicopter environment, CI subjects did not achieve levels of speech recognition requirements for civil aviation pilots. The proposed noise attenuation features offered improvement for speech recognition of CI users. Radio communication significantly interfered with speech recognition in CI users

Made available in DSpace on 2015-04-14T13:56:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 438961.pdf: 14871775 bytes, checksum: 8015d4a0c0c3bcafccfc35adab6874d5 (MD5) Previous issue date: 2012-03-30 / The human body is adapted to live at an approximate gravitational acceleration of 9.81 m/s?, this being equivalent to 1G. Physiological problems can occur if the body is subjected to the effects of a greater or lesser acceleration than this value. The degree of these physiological problems directly depends on the body axis affected, the intensity of acceleration and the length of time it is applied. Current equipment that can apply harmful acceleration forces includes rockets and fighter jet aircraft. Human centrifuges can be used in order to improve the resistance of the human body to this G-force, and also to develop research in this area. These devices perform a circular motion about one axis, producing an inertial reaction to the centripetal acceleration that is used to simulate G-force. Human centrifuges have been used in aerospace physiology since the middle of the 20th century. Pilot training and national research in this area are deficient in Brazil, however, as the country is lacking in this type of equipment. Thus, with this in mind, a human centrifuge was built at the Microgravity Centre/FENG PUCRS. The equipment, called the Albuquerque centrifuge, was built within a low cost budget and has good mobility in comparison to other conventional centrifuge models. The main elements of the Albuquerque centrifuge are: a base, a circular platform around the base, wheels supported on the platform, and an arm with a radius of 2.5 m situated above these wheels. There is also a central axis that connects the base and the arm, allowing the rotational movement of the arm. A subject will be positioned in a chair at one end of the arm, whilst a system of counterweights will be used at the opposite end to balance the equipment load. The base has a pyramid format and acts as the support for the arm structure. The circular platform around the base supports the two wheels that extend down from the arm, and these serve to distribute the load on both sides on the axis. The system axes were constructed using 1045 steel and the other structures using 1020 steel. The structure of the centrifuge is able to support the weight of a volunteer up to 120 kg. The total weight of the equipment itself is estimated to be about 300 kg. The movement of the Albuquerque centrifuge is generated by means of human-powered equipment, without the use of any form of mechanical or electrical motor. This equipment comprises of two devices that simulate the pedaling of a bicycle, one being located externally to the centrifuge, and the other being fitted internally and positioned at one end of the arm. Thus, the volunteer can also perform physical exercise whilst being under the influence of simulated gravity. Having tested the system without the presence a person onboard, that is to say, using external traction only, it is concluded that the equipment is capable of achieving an acceleration close to +3Gz. / O ser humano est? adaptado a viver em uma acelera??o gravitacional aproximada de 9,81 m/s?, sendo ela equivalente ? 1G. Caso ele sofra o efeito de acelera??es de valor superior ou inferior a esse valor problemas de ordem fisiol?gica podem ocorrer. O agravamento desses problemas fisiol?gicos depende diretamente do eixo corporal afetado, a intensidade das acelera??es e o tempo de aplica??o das mesmas. Foguetes e avi?es de ca?a s?o os equipamentos atuais que mais aplicam acelera??es nocivas. Assim, para treinar a resist?ncia do corpo humano ? for?a G e desenvolver pesquisas na ?rea, s?o utilizadas centr?fugas humanas. Esses equipamentos executam movimentos circulares em torno de um eixo, produzindo uma rea??o inercial ? acelera??o centr?peta que ? utilizada para simular uma for?a G. As centr?fugas humanas v?m sendo utilizadas na fisiologia aeroespacial desde a metade do s?culo 20. Por?m, treinamentos com pilotos e pesquisas nacionais nessa ?rea s?o deficit?rios no Brasil, uma vez que o pa?s n?o possui esse tipo de equipamento. Ent?o, para suprir essa necessidade, uma centr?fuga humana foi constru?da no Centro de Microgravidade/FENG da PUCRS. O equipamento foi denominado Centr?fuga Albuquerque e foi constru?do dentro de um or?amento de baixo custo, possuindo boa mobilidade comparada a outros modelos convencionais de centr?fugas. Os elementos principais da Centr?fuga Albuquerque s?o: uma Base, um disco ao redor da Base, rodas sobre o disco e um Bra?o sobre estas rodas, de raio 2,5 m Existe tamb?m um eixo central que interliga a Base e o Bra?o, de forma a permitir o movimento rotat?rio do Bra?o. Em um dos lados do Bra?o o volunt?rio ficar? alocado em uma cadeira e, no outro lado, ficar? um sistema de contrapesos para equilibrar as cargas do equipamento. A Base tem formato piramidal e serve para sustentar a estrutura do Bra?o. Ao redor da Base, encontra-se o disco, sobre o qual est?o as duas rodas presentes no Bra?o, que servem para distribuir as cargas de ambos os lados sobre o eixo. Os eixos do sistema foram constru?dos em A?o 1045 e as demais estruturas em A?o 1020. A estrutura da centr?fuga ? capaz de suportar volunt?rios com pesos de 120 kg. O peso total do equipamento ? calculado em aproximadamente 300 kg. O movimento da Centr?fuga Albuquerque ? gerado atrav?s de um equipamento de tra??o humana, sem a utiliza??o de nenhum tipo de motor mec?nico ou el?trico. Esse equipamento ? composto por dois dispositivos que simulam as pedaladas de uma bicicleta, sendo um deles localizado externamente ? centr?fuga e o outro em seu interior, posicionado junto ? extremidade de um dos 7 lados. Assim, o volunt?rio que estar? sob o efeito de uma gravidade simuladatamb?m realizar? exerc?cios f?sicos. Ap?s testes de funcionamento do sistema, sem a presen?a de seres humanos em seu interior, isto ?, utilizando apenas a tra??o externa, conclui-se que o equipamento ? capaz de alcan?ar acelera??es pr?ximas ? +3 Gz.

A coifa do Veículo Lançador de Satélites (VLS) é o objeto do estudo do sistema acusto-estrutural em questão. A partir da teoria da análise vibroacústica acoplada, deriva-se para o problema da coifa, onde técnicas determinísticas como Método dos Elementos Finitos (FEM) e Método dos Elementos de Contorno (BEM), de análise em baixa freqüência, e a técnica da Análise Estatística Energética (SEA), em altas freqüências, são aplicadas.Através do valor estimado do ruído acústico global de 160 dB, gerado durante a decolagem do VLS, o modelo vibroacústico é excitado e as respostas médias estrutural e acústica são determinadas, utilizando-se as técnicas de análise por acoplamento, descritas acima. As limitações de cada técnica de análise são descritas e um método alternativo de modelagem do sistema elasto-acústico é proposto, para atingir-se níveis aceitáveis de tempo de processamento, acuidade e memória alocada para o manuseio dos dados.Assim, as influências mútuas do sistema acústico no sistema estrutural e vice-versa são consideradas numa matriz dinâmica acoplada, a qual considera as equações de Helmholtz e de Kirchoff. Aborda-se também a real necessidade da aplicação da técnica de análise por acoplamento, através de uma análise de sensibilidade entre as respostas acústicas obtidas em análise acoplada e desacoplada.

Neste trabalho é analisado o movimento rotacional ou de atitude de um satélite artificial em órbita circular terrestre, o qual está sujeito a influência do torque devido ao gradiente gravitacional e possui quantidades de movimento angular devido à presença de três rotores internos. As velocidades angulares internas têm seus vetores coincidentes com os eixos principais de inércia do referido satélite. São determinadas as regiões de estabilidade para um satélite genérico, ou seja, com configurações variadas dos parâmetros inerciais, para casos contendo um, dois ou três rotores internos. Para o estudo da estabilidade destes casos, as quantidades de movimento angular são constantes. A determinação das regiões de estabilidade para um satélite contendo três rotores internos, é realizada com quantidades de movimento angular variáveis e posicionamento angular fixo. Os casos nos quais o satélite possui um rotor interno, alternado em seus três eixos principais, têm suas regiões de estabilidade determinadas de forma analítica e numérica, sendo que a forma numérica compõe um programa geral aplicável a todos os casos. O segundo tópico focalizado é a otimização da atitude, para a mudança de posicionamento angular do satélite, em relação ao sistema de coordenadas da órbita. Para determinação das trajetórias ótimas, são elaborados programas numéricos, os quais utilizam como sinais de controle os torques aplicados nos eixos dos rotores internos. São apresentados programas para problemas distintos: "energia" mínima, tempo mínimo e um problema de otimização com índice de desempenho misto entre "energia" e tempo mínimos. A solução de um problema com a minimização do tempo, incluindo limitações nos valores absolutos dos controles (bang-bang), é extremamente difícil. Logo, é apresentada uma alternativa para sua solução problema, utilizando um índice de desempenho para "energia" mínima de controle. Os programas são implementados com o auxílio do "software" MatLab 6.0, no qual é utilizado o comando bvp4c de seu bloco de otimização, para a solução de problemas de valor de contorno em dois pontos.

Este trabalho teve como finalidade a realização de estudos das características tribológicas de filmes de carbono do tipo diamante (DLC - do Inglês Diamond-Like Carbon) para aplicações em sistema de lubrificação seca. Os filmes foram obtidos via pulverização catódica por impacto de íons de argônio sobre um alvo de grafita. A descarga para produção de plasma foi gerada via corrente contínua e via radio freqüência. Estudou-se o comportamento e a dureza dos filmes em função da incorporação de hidrogênio na mistura gasosa, da variação da potência utilizada no processo de pulverização catódica e também, em função da polarização do substrato, no início do processo de deposição. A aderência do filme em substratos metálicos foi estudada com a deposição de uma interface de silício. As condições mais propícias de polimento e limpeza do substrato a fim de obter a mais adequada espessura do filme e da interface foram estudadas para se obter a melhor aderência do filme de DLC ao substrato. Com a correlação entre as técnicas de caracterização utilizadas, foi possível estudar a dureza dos filmes de DLC em função da razão das amplitudes das bandas "D" e "G" obtidas a partir do espectro de espalhamento Raman e ainda, identificando que o atrito ficou sempre em cerca de 0,12, quando medido em atmosfera ambiente entre a ponta silício contendo recobrimento de nitreto de silício e o filme de DLC. Os estudos das propriedades tribológicas relativos à rugosidade e atrito dos filmes de DLC, depositados em superfícies lisas, foi feito por meio de microscopia de força atômica (AFM - do Inglês Atomic Force Microscopy) nos modos de força normal e lateral, respectivamente. Diferentes tipos de filmes de DLC em substratos metálicos de aços e da liga de Ti6Al4V foram estudados. Um novo tipo de preparação de superfície de substratos empregados em sistema de alto atrito e que previne solda a frio, com esforço mecânico elevado foi estudado. A superfície de Ti6Al4V foi texturizada a laser criando um perfil ordenado na forma piramidal, caracterizado por valores altos de rugosidade. Esta superfície, desta forma preparada, foi recoberta com filme de DLC e analisada por meio de um perfilômetro a laser. Foi possível observar uma ondulação absolutamente seqüencial com uma rugosidade adicional modulada. Esta análise foi feita com e sem o filme de DLC. Esta superfície com valores altos de rugosidade foi utilizada para aplicações múltiplas visualizadas na área espacial, como lubrificante sólido e como recobrimento protetor anti-solda a frio. Este estudo concentrou-se em peças constituintes de partes de satélite em desenvolvimento no INPE. A qualificação para uso deste lubrificante para a área espacial no INPE é um processo em desenvolvimento, mas como mostrado neste trabalho, é também, um passo importante para a incorporação, em definitivo, desta área nas aplicações espaciais.