[EN] Composite steel-concrete beams embedded in the slab (slim-floor) are being increasingly used worldwide in new residential industrial and commercial building projects, as well as in unique infrastructures. However, the current standard design codes applicable in Europe, present several shortcomings. One of the most significant limitations is related to the calculation under fire exposure, where there is a lack of clear design guidance. In addition, many high-performance steels are beginning to be commercialized internationally. The use of these steels, in combination with the use of lightweight concrete with lower thermal conductivity, may significantly increase the fire resistance of this type of beams without the need of using an external protection, hence reducing the carbon footprint at the same time. This thesis suggests the use of a particular section typology (HEB + welded bottom plate) that improves the safety of the current composite beam systems, allowing for different types of steels to be arranged in the section. Plain carbon steels (S275 or S355) can be used for the main profile, while the high-performance steels (HSS or SS) would be employed only on the lower part of the beam. This will allow to balance out the problem of loss of resistance that these beams present when exposed to elevated temperatures, while reducing their cost. To this aim, a first experimental campaign is developed through eight tests, where the distribution of temperatures is analyzed in detail, as the composite beams are being subjected to the action of fire. Subsequently, an innovative solution, originated during the study of the results of this first group of experiments, is produced. This innovation is based on the insertion of an insulating material in the gap generated between the steel profile and the bottom plate (patent P201930438). To prove its novelty, a second and more reduced experimental campaign was developed. It can be concluded that some of the composite beams configured in this thesis are more sustainable, innovative, and provide competitive solutions for residential, industrial or commercial buildings. The use of new materials in embedded steel profiles is proposed in this thesis, as an alternative to the use of classical fire protection solutions (intumescent coatings or sprayed mortars), providing a solution with a better external finish and without the need for maintenance during its service life, which results in the reduction of the associated environmental impact. / [ES] Las vigas mixtas de acero y hormigón embebidas en el forjado, slim-floor, están siendo cada vez más utilizadas a nivel internacional en las nuevas propuestas de edificación tanto residencial, industrial o comercial, así como en infraestructuras singulares. Sin embargo, los códigos de diseño actuales aplicables en Europa, presentan algunas carencias. Una de las más importantes es respecto a su diseño para resistencia al fuego, para el que no existe una guía clara. Por otra parte, algunos aceros especiales, como los aceros inoxidables (SS) o de alta resistencia (HSS), están empezando a comercializarse a nivel internacional. El empleo de estos aceros, en combinación con la utilización de hormigones ligeros de menor difusividad térmica, puede llegar a incrementar significativamente la resistencia frente al fuego de este tipo de vigas sin necesidad de utilizar una protección externa, reduciendo así, a la vez, la huella de carbono. En esta tesis se sugiere la utilización de una tipología particular de sección (HEB + chapa inferior soldada) que mejora la seguridad de los sistemas de viga mixta actuales, permitiendo disponer diferentes tipos de aceros en la sección. Pueden utilizarse aceros normales (S275 o S355) en el perfil principal, mientras que los aceros de altas prestaciones se dispondrían preferentemente en la parte inferior de la sección. Esto permitiría contrarrestar los problemas de pérdida de resistencia frente a altas temperaturas que presentan estas vigas, reduciendo a la vez su coste. Para ello, se desarrolla una campaña de experimentos con ocho ensayos, donde se analiza en detalle la distribución de temperaturas cuando se somete a las vigas mixtas a la acción del fuego. Posteriormente, se presenta una solución innovadora originada durante el estudio de los resultados de los primeros experimentos, que consiste en la interposición de un material de aislamiento térmico en el hueco generado entre el perfil de acero y la chapa inferior (patente P201930438). Para demostrar su novedad, se desarrolla una segunda campaña de ensayos, más reducida. Se puede concluir que las vigas mixtas que se plantean en la presente tesis son soluciones sostenibles, innovadoras y competitivas para edificación residencial, industrial o comercial. El uso de perfiles de acero embebidos propuesto en esta tesis se plantea como una alternativa frente al empleo de soluciones clásicas de protección pasiva (pinturas intumescentes o morteros de proyección), proporcionando una solución con un mejor acabado externo y sin necesidad de mantenimiento durante su vida en servicio, lo cual redunda en la reducción del impacto ambiental asociado. / [CAT] Les bigues mixtes acer-formigó embegudes en el forjat, slim-floor, són cada vegada més utilitzades a nivell internacional en les noves propostes d'edificació tant residencial, industrial, comercial, com d'infraestructures singulars. No obstant això, els codis de disseny actuals aplicables a Europa, presenten diverses manques. Una de les més importants és respecte al dimensionament enfront el foc, on no existeix una guia de disseny clara D'altra banda, la utilització d'acers especials, com els acers inoxidables (SS) o d'alta resistència (HSS) estan començant a comercialitzar-se a nivell internacional. L'ús d'aquests acers en combinació amb la utilització de formigons lleugers de menor conductivitat, pot arribar a incrementar significativament la resistència al foc d'aquest tipus de bigues sense la necessitat d'utilitzar protecció externa, reduint alhora la petjada de carboni. En aquesta tesi es proposa la utilització d'una tipologia de secció mixta (HEB + xapa inferior soldada) que millora la seguretat dels sistemes actuals, permetent disposar diferents tipus d'acers en la secció, els acers comuns (S275 o S355) en el perfil principal i els acers especials només en la part inferior. Això permetria contrarestar els problemes de pèrdua de resistència enfront d'altes temperatures que presenten aquestes bigues reduint alhora el seu cost. Per a això es desenvolupa una campanya experimental amb huit assajos on s'analitza detalladament la distribució de temperatures sota l'acció del foc. Posteriorment, es presenta una solució innovadora originada durant l'estudi dels resultats de la primera campanya experimental i que consisteix en la interposició d'un material protector en el buit generat entre el perfil i la xapa d'acer (patent P201930438). Per a demostrar la seua novetat, es desenvolupa una segona campanya experimental més reduïda. Es pot concloure que, les bigues mixtes que es plantegen en el present projecte són solucions sostenibles, innovadores i competitives per a edificació residencial, industrial o comercial. L'ús de perfils d'acer embeguts proposat en aquesta tesi es planteja com una alternativa enfront de l'ús de solucions clàssiques (pintures intumescents o morters de projecció), proporcionant una solució amb un millor acabat extern i sense necessitat de manteniment durant la seua vida en servei, la qual cosa redunda en la reducció de l'impacte ambiental associat. / Serra Mercé, E. (2021). Análisis experimental del comportamiento frente a altas temperaturas de vigas planas mixtas de acero-hormigón con materiales avanzados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176062

[ES] Este trabajo está centrado en analizar el flujo y la eficiencia de turbinas de doble entrada, así como desarrollar modelos de capacidad de flujo y eficiencia que sean capaces de predecir su comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Dichas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, por lo que deben ser evaluadas adecuadamente. Se ha realizado un análisis profundo de los patrones de flujo y las principales fuentes de pérdidas mediante simulaciones CFD y campañas experimentales, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes en distintas condiciones de admisión. El análisis CFD y la campaña experimental con la técnica LDA han mostrado que el flujo de cada rama no se mezcla completamente con el otro dentro del rotor. Esto significa que las turbinas de doble entrada podrían estudiarse como dos turbinas de entrada simple trabajando en paralelo en modelos unidimensionales. Además, las áreas de entrada y salida del rotor correspondientes a cada rama dependen linealmente de la relación de gastos másicos (MFR). Los principales fenómenos de pérdidas han sido identificados. Fenómenos ya conocidos como las pérdidas por fricción en las volutas, interespacio y rotor, las pérdidas por incidencia o las pérdidas en punta de álabe se han cuantificado. Sin embargo, se han encontrado fuentes de pérdidas adicionales que ayudan a explicar el comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Se ha encontrado una expansión brusca aguas abajo de la unión de las volutas que produce pérdidas en la rama con más presión. Aunque el flujo de cada rama no se mezcla completamente dentro del rotor, hay un intercambio de momento entre ramas producido en la región de contacto entre ramas. La rama con mayor momento transmite parte de este a la rama con menor momento. Este fenómeno produce pérdidas en la rama con mayor momento en el interespacio y el rotor, pero también produce ganancias en la rama con menor momento. Este intercambio de momento es un fenómeno esencial para entender correctamente el funcionamiento de las turbinas de doble entrada en condiciones de admisión desiguales. Finalmente, como la mezcla completa de los flujos de cada rama se produce en la región de salida, es aquí donde se computan las pérdidas por mezcla. Toda esta información se ha usado para desarrollar modelos de área efectiva y eficiencia. El modelo de área efectiva se utiliza para extrapolar en el mapa de capacidad flujo. Este modelo se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros MFR se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error menor del 3% en cada rama cuando solo se proporcionan al modelo los mapas de condiciones de admisión completa y parcial. El modelo de eficiencia se utiliza para extrapolar en el mapa de eficiencia. Este modelo también se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros valores de MFR también se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error combinado de las dos ramas menor del 7%. Además, las predicciones que ofrece se han comparado con modelos empíricos y comerciales, obteniendo predicciones más precisas en condiciones de admisión desiguales. Como estas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, el comportamiento estará mejor predicho la mayor parte del tiempo de operación. Esta mejora en las predicciones de las prestaciones puede ayudar a trabajar en condiciones de operación óptimas, lo que puede significar una eficiencia del motor de combustión interna mayor y su correspondiente reducción en consumo de combustible y emisión de gases contaminantes. Adicionalmente, otra turbina de doble entrada con una geometría distinta se ha analizado, encontrado un comportamiento muy similar. Los modelos desarrollados se han aplicado a esta geometría con buenos resultados, corroborando que dichos modelos proporcionan una descripción física razonable del comportamiento de las turbinas de doble entrada bajo condiciones de admisión desiguales. / [CA] El present treball està centrat en analitzar el flux i l'eficiència de turbines de doble entrada, així com desenvolupar models de capacitat de flux i eficiència que siguen capaços de predir el seu comportament en condicions d'admissió desiguals. Aquestes condicions són les més comunes en funcionament real, per la qual cosa s'han d'avaluar adequadament. S'ha realitzat una anàlisi profunda dels patrons de flux i de les principals fonts de pèrdues mitjançant simulacions CFD i campanyes experimentals, identificant i quantificant els fenòmens més importants en distintes condicions d'admissió. L'ànalisi CFD i la campanya experimental amb la tècnica LDA han mostrat que el flux de cada rama no es mescla completament amb l'altre dins del rotor. Açò significa que les turbines de doble entrada podrien estudiar-se com dues turbines d'entrada simple treballant en paral·lel en models unidimensionals. A més, les àrees d'entrada i eixida del rotor corresponents a cada rama depenen linealment de la relació de gastos màssics (MFR). Els principals fenòmens de pèrdues han estat identificats. Fenòmens ja coneguts com les pèrdues per fricció en les volutes, interespai i rotor, les pèrdues per incidència o les pèrdues en punta de pala s'han quantificat. Tanmateix, s'han trobat fonts de pèrdues addicionals que ajuden a explicar el comportament en condicions d'admissió desiguals. S'ha trobat una expansió brusca aigües avall de la unió de les volutes que produeixen pèrdues en la rama amb més pressió. Encara que el flux de cada rama no es mescla completament dins del rotor, hi ha un intercanvi de moment entre rames produit en la regió de contacte entre rames. La rama amb més moment transmet part d'aquest a la rama amb menor moment. Aquest fenomen produeix pèrdues en la rama amb major moment en l'interespai i el rotor, però també produeix guanys en la rama amb menor moment. Aquest intercanvi de moment entre rames es un fenomen essencial per a entendre correctament el funcionament de les turbines radials de doble entrada en condicions d'admissió desiguals. Finalment, com la mescla completa dels fluxos de cada rama es produeix en la regió d'eixida, és en aquesta regió on es computen les pèrdues per mescla. Tota aquesta informació s'ha utilitzat per desenvolupar models d'àrea efectiva i eficiencia. El model d'àrea efectiva s'utilitza per a extrapolar en el mapa de capacitat de flux. Aquest model s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres condicions d'admissió s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error menor del 3% en cada rama quan sols es proporciona al model els mapes de condicions d'admissió completa i parcial. El model d'eficiència s'utilitza per a extrapolar en el mapa d'eficiència. Aquest model també s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres valors d'MFR també s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error combinat de les dues rames menor del 7%. A més, les prediccions que ofereixen els nous models basats en pèrdues han estat comparades amb models empírics i comercials, aconseguint prediccions més precises en condicions d'admissió desiguals. Com les condicions d'admissió desiguals són les més comunes en funcionament real, el comportament de les turbines de doble entrada estaran millor predites la major part del temps d'operació. Aquesta millora en les prediccions de les prestacions pot ajudar a treballar en condicions d'operació òptimes la major part del temps, el qual pot significar una major eficiència del motor de combustió interna i la seua corresponent reducció en consum de combustible i emissió de gasos contaminants. Addicionalment, una altra turbina de doble entrada amb una geometria considerablement diferent s'ha analitzat, trobant un comportament molt similar. Els models proporcionen una descripció física raonable del comportament de les turbines de doble entrada baix condicions d'admissió desiguals. / [EN] The current work focuses on the flow capacity and efficiency analysis and modelling of twin-entry radial turbines under unequal admission conditions. These conditions are the most common in real operation, so they must be properly assessed. A thorough analysis of the flow patterns within twin-entry turbines and the main sources of losses have been carried out by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental campaigns, identifying and quantifying the most important phenomena under different admission conditions. The CFD analysis and the laser Doppler anemometry experimental campaign have shown that the flow from each branch does not fully mix within the rotor. It means that twin-entry turbines could be studied as two single-entry turbines working in parallel in one-dimensional models. Moreover, the rotor inlet and outlet areas corresponding to each branch depend linearly on the mass flow ratio (MFR). The main phenomena producing losses in twin-entry turbines have been identified. Well-known sources of losses have been quantified, such as passage losses in volutes, interspace and rotor, incidence losses or tip leakage losses. However, additional sources of losses have been found that explain the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. There is a sudden expansion downstream of the junction of the volutes that produces losses in the branch with higher pressure. Although the flow from each branch does not fully mix within the rotor, there is a momentum exchange between branches produced in the contact region between branches. The branch with higher momentum transmits some of it to the branch with lower momentum. This phenomenon produces losses in the branch with higher momentum within the interspace and the rotor, but it also produces gains in the branch with lower momentum. This momentum exchange between branches is an essential phenomenon to properly understand the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. Finally, since the full mixing of both flows is produced in the outlet region, the mixing losses are only computed in the outlet region. The flow behaviour information extracted from the CFD simulations and experimental campaigns has been used to develop effective area and efficiency models. The effective area model is used to extrapolate the flow capacity map. The model has been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values has been proven, obtaining an error lower than 3% in each branch when only partial and full admission maps are provided to feed the model. The efficiency model is used to extrapolate the efficiency map. This model has also been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values is also reliable, obtaining a combined error between both branches lower than 7%. Moreover, the predictions of this loss-based efficiency model have been compared to empirical and commercial models, obtaining more accurate predictions under unequal admission conditions. Since unequal admission conditions are the most common in real operation, the performance of twin-entry turbines could be better predicted most of the time. This improvement in the performance prediction could help to work in optimum operational points most of the time, which could lead to higher internal combustion engine efficiency and a reduction in fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, a twin-entry turbine with a considerably different geometry has been analysed, finding the same flow behaviour. The models developed have been applied to this geometry, giving good results. These results corroborate that these models provide a reasonable physical description of the behaviour of the twin-entry turbines under unequal admission conditions. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract FPU17/02803 of the Programa de Formación de Profesorado Universitario of Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. / Medina Tomás, N. (2022). Flow Capacity and Efficiency Modelling of Twin-Entry Radial Turbines under Unequal Admission Conditions through CFD Analysis and Experiments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185820

[ES] The automotive industry represents one of the most important sectors in the world. Given its socio-economic influence, research is aimed at reducing fuel consumption and emissions. Turbochargers provide several benefits including increased power for a given engine size, improved fuel economy and reduced emissions. The turbocharger is an important piece for the new generation of engines that must comply with the Euro 6 or in the U.S. Tier 3 vehicle emissions and fuel standard program. As more effort is made to increase efficiencies and reduce emissions, the complexity of the system increases. The high rotational speeds, pulsating flow conditions and high temperature differences between working fluids (exhaust gases, compressed air, lubricating oil, coolant fluids) make the turbo-charging a challenging task. Numerical simulation opens a range of possibilities to study the performance, efficiency and design of components in the turbocharger, but requires continued accuracy refinements. In this thesis, a great effort has been made to improve the overall understanding of the different physical phenomena that occur inside the turbocharger. Both, experimental and modelling efforts have been made to understand the thermal behaviour of the turbocharger under engine start/stop conditions. After state-of-the-art review of thermal studies and heat transfer simulation codes, this work presents an extensive experimental testing campaign that includes a thermal characterization of the turbocharger in stationary and transient conditions. Subsequently, several turbochargers were measured to assess the consequences that degraded oils can generate in the bearing system during endurance tests of oil-coking. To minimize the possibilities of coke formation, some theoretical studies were done. First, a 1D turbocharger model was used in GT-PowerTM for a detailed study of the temperature rise in the central housing during an engine hot-stop. The simulated cooling strategies aims to find an optimal in terms of minimizing extra energy consumption per K housing temperature reduction. After, a 2D radial model is proposed as improvement of an existing one-dimensional model developed at CMT - Universitat Politècnica de València. Aiming for a low computational cost, the radial model was developed to be compatible with fast one-dimensional engine simulations. Later, a detailed solution of heat fluxes was made by means of CFD using a 3D design of the turbocharger's central housing. The 3D model improved the results when temperature of the bearings/shaft is required. Additionally, thermal properties within the turbocharger can be obtained and therefore a reduction of the experimental tasks in the thermohydraulic test bench. Both 2D and 3D models were validated using experimental data, demonstrating predictive accuracy improvements on the results of previous models. / [CA] La industria automotriz representa uno de los sectores más importantes del mundo. Dada su influencia socioeconómica, la investigación está destinada a reducir el consumo de combustible y las emisiones. Los turbocompresores ofrecen varios beneficios, entre ellos, mayor potencia para un tamaño de motor determinado, mejor economía de combustible y reducción de emisiones. El turbocompresor es una pieza importante para la nueva generación de motores que deben cumplir con la normativa Euro 6 o en el programa estándar de emisiones y combustible de los EE. UU. Tier 3. A medida que se hacen más esfuerzos para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones, la complejidad del sistema aumenta. Las altas velocidades de rotación, las condiciones de flujo pulsante y las altas diferencias de temperatura entre los fluidos de trabajo (gases de escape, aire comprimido, aceite lubricante, fluidos refrigerantes) hacen que la turbocarga sea una tarea desafiante. La simulación numérica abre un rango de posibilidades para estudiar el rendimiento, la eficiencia y el diseño de los componentes en el turbocompresor, pero requiere continuos refinamientos de precisión. En esta tesis, se ha hecho un gran esfuerzo para mejorar la comprensión global de los diferentes fenómenos físicos que ocurren al interior del turbocompresor. Se han hecho esfuerzos experimentales y de modelado para comprender el comportamiento térmico del turbocompresor en condiciones de arranque/parada del motor. Luego de una revisión de los estudios térmicos y de los códigos de simulación de transferencia de calor, éste trabajo presenta una extensa campaña de pruebas experimentales que incluye una caracterización térmica del turbocompresor en condiciones estacionarias y transitorias. Posteriormente, se midieron varios turbocompresores para evaluar las consecuencias que los aceites degradados pueden generar en el sistema de rodamientos durante pruebas de resistencia de coque de aceite. Para minimizar las posibilidades de formación de coque, se realizaron algunos estudios teóricos. En primer lugar, se usó un modelo de turbocompresor 1D en GT-PowerTM para un estudio detallado del aumento de temperatura de la carcasa central del turbocompresor durante un paro en caliente del motor. Las estrategias de enfriamiento simuladas apuntan a encontrar un óptimo en términos de minimizae el consumo de energía extra por reducción de la temperatura de la carcasa en Kelvin. Posteriormente, se propone un modelo radial 2D como mejora de un modelo unidimensional existente desarrollado en la CMT - Universitat Politècnica de València. Con el objetivo de conseguir un bajo costo computacional, el modelo radial 2D se desarrolló para ser compatible con simulaciones unidimensionales rápidas de motor. Después, se realizó una solución detallada de los flujos de calor mediante CFD utilizando un diseño 3D de la carcasa central del turbocompresor. El modelo 3D mejora los resultados cuando se requiere la temperatura de los cojinetes/eje. Además, con ésta campaña de CFD se pueden obtener propiedades térmicas dentro del turbocompresor y, por lo tanto, una reducción de las tareas experimentales en el banco de pruebas termohidráulico. Ambos modelos 2D y 3D fueron validados utilizando datos experimentales, demostrando mejoras de precisión de predicción sobre los resultados de modelos anteriores. / [EN] La indústria automotriu representa un dels sectors més importants del món. Donada la seua influència socioeconòmica, la investigació està destinada a reduir el consum de combustible i les emissions. Els turbocompressors oferixen diversos beneficis, entre ells, major potència per a una grandària de motor determinat, millor economia de combustible i reducció d'emissions. El turbocompressor és una peça important per a la nova generació de motors que han de complir amb la normativa Euro 6 o en el programa estàndard d'emissions i combustible dels EE. UU. Tier 3. A mesura que es fan més esforços per a augmentar l'eficiència i reduir les emissions, la complexitat del sistema augmenta. Les altes velocitats de rotació, les condicions de flux polsen-te i les altes diferències de temperatura entre els fluids de treball (gasos de fuga, aire comprimit, oli lubricant, fluids refrigerants) fan que la turbocarga siga una tasca desafiador. La simulació numèrica obri un rang de possibilitats per a estudiar el rendiment, l'eficiència i el disseny dels components en el turbocompressor, però requerix continus refinaments de precisión. En aquesta tesi, s'ha fet un gran esforç per a millorar la comprensió global dels diferents fenòmens físics que ocorren a l'interior del turbocompressor. S'han fet esforços experimentals i de modelatge per a comprendre el comportament tèrmic del turbocompressor en condicions d'arranque/parada del motor. Després d'una revisió dels estudis tèrmics i dels codis de simulació de transferència de calor, este treball presenta una extensa campanya de proves experimentals que inclou una caracterització tèrmica del turbocompressor en condicions estacionàries i transitòries. Posteriorment, es van mesurar uns quants turbocompressors per a avaluar les conseqüències que els olis degradats poden generar en el sistema de rodaments durant proves de resistència de coc d'aceite. Per a minimitzar les possibilitats de formació de coc, es van realitzar alguns estudis teòrics. En primer lloc, es va usar un model de turbocompressor 1D en GT- Power \textsuperscript{TM} per a un estudi detallat de l'augment de temperatura de la carcassa central del turbocompressor durant una desocupació en calent del motor. Les estratègies de refredament simulades apunten a trobar un òptim en termes de minimizae el consum d'energia extra per reducció de la temperatura de la carcassa en Kelvin. Posteriorment, es proposa un model radial 2D com a millora d'un model unidimensional existent desenrotllat en la CMT - Universitat Politècnica de València. Amb l'objectiu d'aconseguir un baix cost computacional, el model radial 2D es va desenrotllar per a ser compatible amb simulacions unidimensionals ràpides de motor. Después, es va realitzar una solució detallada dels fluxos de calor per mitjà de CFD utilitzant un disseny 3D de la carcassa central del turbocompressor. El model 3D millora els resultats quan es requerix la temperatura dels cojinetes/eje. A més, amb esta campanya de CFD es poden obtindre propietats tèrmiques dins del turbocompressor i, per tant, una reducció de les tasques experimentals en el banc de proves termohidráulico. Ambdós models 2D i 3D van ser validats utilitzant dades experimentals, demostrant millores de precisió de predicció sobre els resultats de models anteriores. / Rodriguez Usaquén, YT. (2019). Experimental study of oil coking problem and contribution to the modelling of heat transfer in turbochargers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117314

[ES] En los turbocompresores con turbina de geometría variable (VGT por sus siglas en inglés) los vanos del estator se mueven a una posición cerrada para generar una contrapresión durante el modo de frenado del motor. De este modo, se generan ondas de choque en el estator. Además, en otras aplicaciones donde se utilizan turbinas radiales como en ciclos reversos de Brayton para refrigeración, ciclos orgánicos Rankine, y en las turbinas para la unidad de potencia auxiliar, dependiendo de las condiciones de operación, pueden aparecer condiciones sónicas y ondas de choque. El presente trabajo se centra en el estudio del comportamiento del flujo a través de una turbina de geometría variable de un turbocompresor comercial en condiciones fuera de diseño alcanzando condiciones de choque. Se ha realizado un análisis detallado del patrón de flujo dentro de la turbine usando simulaciones CFD, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes bajo diferentes condiciones de operación. Se han llevado a cabo simulaciones estacionarias usando Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) y no estacionarias (unsteady RANS) para obtener las características del flujo en el estator y en el rotor, además de obtener el mapa de la turbina. Los resultados CFD muestran que la región del dominio computacional donde aparecen las condiciones sónicas depende de la posición de los vanos del estator y la relación de presiones. Cuando los vanos del estator están en una posición cerrada (10% VGT), el fluido se acelera y, dependiendo de la relación de presiones, la presión estática en el lado de succión disminuye hasta cierto punto donde un incremento repentino revela la presencia de una onda de choque, la cual se expande por el espacio sin vanos. La intensidad de la onda de choque bajo la relación de presiones más altas varia con la velocidad de giro. Para analizar la interacción entre el rotor y el estator se llevaron a cabo simulaciones numéricas con los vanos del estator en una posición cerrada, 10% VGT, y en una posición más abierta, 30% VGT. El número de choques que una partícula del fluido experimenta aguas arriba del rotor está correlacionado con las pérdidas por choque del fluido. Cerca de los vanos del estator, las pérdidas de presión son altas, hacia el centro del espacio sin vanos las pérdidas disminuyen y cerca del rotor empiezan a incrementar. La interacción entre el rotor y el estator crea ondas de choque cuya intensidad depende de la posición del borde de ataque del rotor y de la velocidad de giro. A la velocidad de giro más alta, ocurren fluctuaciones en la carga cerca del borde de ataque, las cuales pueden comprometer la integridad de la pala. Cuando la turbina tiene los vanos del estator abiertos (80% VGT) y opera a la relación de presión más alta seleccionada, las condiciones de choque aparecen en el plano del borde de fuga del rotor. Además, el desarrollo del área chocada depende de la velocidad de giro y de las fugas en la punta del álabe. Así, se investigó los efectos de las fugas en la punta del alabe sobre el flujo principal bajo condiciones sónicas disminuyendo e incrementando el intersticio entre la punta del álabe y la carcasa hasta un 50% en base a la geometría dada por el fabricante. El flujo a través de este espacio se acelera para posteriormente mezclarse con el flujo principal y generar un vórtice. Los efectos del vórtice sobre el flujo en el plano ubicado en el borde de fuga del rotor cuando el intersticio varía son más significativos a altas velocidades que a bajas velocidades. El vórtice permanece más cerca del lado de succión a altas velocidades generando una región subsónica que incrementa con la altura del intersticio. Las fugas en la punta del álabe no afectan al flujo principal cerca del cubo cuando la turbina opera a altas y bajas velocidades. / [CA] En turbocompressors amb turbina de geometria variable (VGT per les seues sigles en anglès), les paletes de l'estàtor es mouen a una posició tancada per generar una contrapressió durant el mode de frenada del motor. D'aquesta forma, es generen unes ones de xoc en l'estàtor. A més, en altres aplicacions on s'utilitzen turbines radials com els cicles inversos de Brayton per a refrigeració, cicles orgànics de Rankine o en turbines per a la unitat de potencia auxiliar, depenent de les condicions d'operació poden aparéixer condicions sòniques i d'ones de xoc. El present treball es centra en l'estudi del comportament del flux en una turbina radial de geometria variable d'un turbocompressor comercial en condicions fora de disseny, arribant a condicions de xoc. S'ha realitzat un anàlisi detallat del patró de flux dins d'aquestes turbines utilitzant simulacions CFD, identificant i quantificant els fenòmens més importants a diferents condicions d'operació. S'han realitzat simulacions estacionàries utilitzant Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) i no estacionàries (Unsteady-RANS) per a obtenir les característiques del flux en l'estàtor i en el rotor, a més d'obtenir el mapa de la turbina. Els resultats CFD mostren que la regió del domini computacional on apareixen les condicions sòniques depenen de la posició de les paletes de l'estàtor i de la relació de pressions. Quan les paletes de l'estàtor estan en una posició tancada (10% VGT), el flux s'accelera i, depenent de la relació de pressions, la pressió estàtica en el costat de succió disminueix fins a cert punt on un increment brusc denota la presència d'una ona de xoc que s'expandix per l'espai sense paletes. L'intensitat de la ona de xoc a relacions de pressions elevades varia amb la velocitat de rotació. Per analitzar l'interacció entre rotor i estàtor es van realitzar simulacions numèriques amb les paletes de l'estàtor en una posició tancada, 10% VGT, i en una posició més oberta, 30% VGT. El nombre de xocs que una partícula del fluid experimenta aigües amunt del rotor està correlacionat amb les pèrdues per xoc del fluid. Prop de les paletes de l'estàtor, les pèrdues de pressión són elevades, cap al centre de l'espai sense paletes les pèrdues disminueixen i prop del rotor comencen a incrementarse. L'interacción entre rotor i estàtor crea ones de xoc amb una intensitat que depèn de la posició de la vora d'atac del rotor i de la velocitat de rotació. A la velocitat de rotació més elevada, prop de de la vora d'atac ocorren fluctuacions en la càrrega que poden comprometre la integritat de la pala. Quan la turbina té les paletes de l'estàtor obertes (80% VGT) i opera a la relació de pressió més elevada de les seleccionades, les condicions de xoc apareixen en el pla de la vora de fuga del rotor. A més, el desenvolupament de l'àrea xocada depèn de la velocitat de rotació i de les fugues en la punta de les paletes. Així, s'ha investigat els efectes de les fugues en la punta de les paletes sobre el flux principal sota condicions sòniques, disminuint i incrementant l'interstici entre la punta de la paleta i la carcasa fins un 50\% en base a la geometria donada pel fabricant. El flux en aquest espai s'accelera per a posteriorment mesclar-se amb el flux principal i generar un vòrtex. Els efectes del vòrtex sobre el flux en el pla ubicat a la vora de fuga del rotor quan l'interstici varia són més significatives a velocitats altes que a velocitats baixes. El vòrtex roman més prop del costat de succió a velocitats elevades generant una regió subsònica que incrementa amb l'altura de l'interstici. Les fugues en la punta de les paletes no afecten al flux principal prop del cub quan la turbina opera tant a altes com baixes velocitats. / [EN] In turbochargers with variable geometry turbine (VGT), the stator vanes move to a closed position to drive high exhaust back pressure during the engine braking mode. Thus, shock waves are generated at the stator. Furthermore, depending on the operational conditions in the use of radial turbines in other applications like reverse Brayton cycle for refrigeration, Organic Rankine Cycles, and gas turbine auxiliary power unit (GTAPU), sonic flow and shock waves can appear. The current work focuses on studying the flow behavior of a commercial turbocharger turbine of variable geometry at off-design conditions reaching choked flow. A detailed examination of the flow patterns within the turbine has been carried out using CFD simulations, identifying and quantifying the most important phenomena under different operational points. Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and unsteady RANS simulations have been performed to obtain the flow structures in stator and rotor as well as the turbine map. The CFD results show that the region of the computational domain where the sonic conditions appear depends on the stator vanes position and the pressure ratio. When the stator vanes are in the closed position (10% VGT) the flow through the stator accelerates and, depending on pressure ratio, the static pressure on the suction side decreases until a certain point where a sudden increase reveals the presence of a shock wave that expands through the vaneless space. The intensity of the shock wave at higher pressure ratio varies with the rotational speed. To analyze the rotor-stator interaction, numerical simulations were carried out with the stator vanes at the closed position, 10% VGT, and at wider position, 30% VGT. The number of shocks a fluid particle experiences upstream of the rotor is correlated with the fluid shock losses. Close to the stator vanes, the pressure losses are high; toward the center of the vaneless space, they start to decrease, and close to the rotor they start to increase. The rotor-stator interaction creates shock waves, whose intensity depends on the position of the rotor leading edge and the blade speed. At higher rotational speed, load fluctuation occurs close to the leading edge, which may compromise the blade's integrity. When the turbine has the stator vanes open (80% VGT) and operates at the selected higher pressure ratio, the choking condition appears in a plane at the rotor trailing edge. Furthermore, the development of the choked area depends on the rotational speed and tip leakage. Thus, the effect of the tip leakage flow on the main flow under sonic conditions was investigated decreasing and increasing the tip gap up to 50% of the original geometry given by the manufacturer. The flow through the gap accelerates and then mixes with the main flow, generating a vortex. The effects of the vortex on the flow at the rotor trailing edge plane when the tip gap varies are more significant at higher speed than at lower speed. The vortex stays closer to the tip suction side at higher speed, generating a subsonic region that increases with the tip gap height. At higher and lower rotational speeds, the tip leakage flow does not affect the main flow close to the hub. / I would like to acknowledge the financial support received through the "Subprograma de Formación de Profesorado Universitario (FPU)". Ministerio de Universidades. FPU18/02628 and by the "FPI Subprograma 2". Universitat Politècnica de València. PAID-10-18. / Echavarría Olaya, JD. (2023). Numerical Study of a Radial Turbine of Variable Geometry at Off-Design Conditions Reaching Choked Flow [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196861

O programa CBERS é uma parceria entre o governo Brasileiro e o governo Chinês para desenvolvimento de satélites para sensoriamento remoto. A metodologia proposta será aplicada na Câmera Multi Espectral (MUXCAM) dos satélites CBERS-3 e 4, a primeira deste gênero a ser totalmente produzida no Brasil. Devido à alta confiabilidade exigida, principalmente devido ao custo elevado, as aplicações aeroespaciais que envolvem hardware reconfigurável devem possuir uma metodologia de desenvolvimento, desde a definição dos requisitos até o processo de verificação e validação. A utilização da linguagem VHDL e da ferramenta de síntese, processo este chamado de metodologia clássica, produzem um circuito final não otimizado, eliminando redundâncias e alterando a arquitetura proposta. Este trabalho propõe uma metodologia que busca garantir a utilização de uma única arquitetura desde o início do ciclo de desenvolvimento até sua finalização. Esta metodologia torna o processo de desenvolvimento mais confiável e determinístico. / The CBERS program is a partnership between Brazil and China to produce satellites for remote sensing, producing images of the Earth for studies in several areas, mainly the ones related to the sustainable exploitation of natural resourses. The methodology proposed in this work will be applied on the satellite CBERS-3 e 4\'s Multispectral Camera (MUXCAM), the first of its gender fully produced in Brazil. Because the high reliability involved in aerospace applications, a methodology is necessary from software specification until the verification and validation process to guarantee the high reliability. The use of the synthesis tool and VHDL produce a poor circuit, eliminating redundance and making architectural changes. This work proposes a methodology to keep the architectural the same all development cycle, make the development process more trustful for aerospace applications.

Made available in DSpace on 2016-04-28T14:16:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vivian Scatolin.pdf: 24058709 bytes, checksum: 0c9438735be0e55834207c2a48b9c41e (MD5) Previous issue date: 2008-10-21 / The establishment of the aerospace science in Brazil is the subject of this investigation under the perspective of Science History. Mainly by analyzing official documents and legislation, we search for the ideas and concepts that guided the actions in three distinct moments: when Casimiro Montenegro Filho created the Aeronautics Technological Institute in the 1940 decade, known by the nationalism of the Vargas era; on the research efforts that permitted the foundation of the aircraft maker Embraer during the development-oriented decade of 1950 and the beginning of the Brazilian military dictatorship; and in the elaboration of the Brazilian space program, between the dictatorial regime and re-democratization. It starts from the hypothesis that the factor which led to the wellsucceeded nowadays performance of the country on building aircraft was the adoption of a model based on the tripod science teaching research industrial production. Meanwhile, in the space sector, internal difficulties and others imposed by international circumstances impede the goals of the Brazilian Complete Space Mission from being fully achieved. The relevancy of this work relies on the understanding that aviation and the reaching of space constitute state projects for the national modernization / A institucionalização da ciência aeroespacial no Brasil é o objeto desta investigação sob a perspectiva da história da ciência. Por meio da análise principalmente de documentos oficiais e da legislação, procurou-se apreender as concepções presentes em três momentos distintos: quando da criação, por Casimiro Montenegro Filho, do Instituto Tecnológico de Aeronáutica na década de 1940, marcada pelo nacionalismo da Era Vargas; no esforço de pesquisa que propiciou a fundação da Embraer durante o desenvolvimentismo da década de 1950 e o início da ditadura militar, e na formulação do programa espacial brasileiro, entre o regime ditatorial e a redemocratização. Parte-se da hipótese de que o fator que levou ao atual bem sucedido desempenho do país na fabricação de aeronaves foi a aplicação de um modelo baseado no tripé ensino de ciência pesquisa produção industrial. Enquanto isso, no setor espacial, dificuldades internas e impostas pelo contexto internacional impedem que os objetivos da Missão Espacial Completa Brasileira sejam plenamente alcançados. A relevância deste trabalho reside na compreensão de que a aviação e o acesso ao espaço constituem projetos do Estado para a modernização nacional

O programa CBERS é uma parceria entre o governo Brasileiro e o governo Chinês para desenvolvimento de satélites para sensoriamento remoto. A metodologia proposta será aplicada na Câmera Multi Espectral (MUXCAM) dos satélites CBERS-3 e 4, a primeira deste gênero a ser totalmente produzida no Brasil. Devido à alta confiabilidade exigida, principalmente devido ao custo elevado, as aplicações aeroespaciais que envolvem hardware reconfigurável devem possuir uma metodologia de desenvolvimento, desde a definição dos requisitos até o processo de verificação e validação. A utilização da linguagem VHDL e da ferramenta de síntese, processo este chamado de metodologia clássica, produzem um circuito final não otimizado, eliminando redundâncias e alterando a arquitetura proposta. Este trabalho propõe uma metodologia que busca garantir a utilização de uma única arquitetura desde o início do ciclo de desenvolvimento até sua finalização. Esta metodologia torna o processo de desenvolvimento mais confiável e determinístico. / The CBERS program is a partnership between Brazil and China to produce satellites for remote sensing, producing images of the Earth for studies in several areas, mainly the ones related to the sustainable exploitation of natural resourses. The methodology proposed in this work will be applied on the satellite CBERS-3 e 4\'s Multispectral Camera (MUXCAM), the first of its gender fully produced in Brazil. Because the high reliability involved in aerospace applications, a methodology is necessary from software specification until the verification and validation process to guarantee the high reliability. The use of the synthesis tool and VHDL produce a poor circuit, eliminating redundance and making architectural changes. This work proposes a methodology to keep the architectural the same all development cycle, make the development process more trustful for aerospace applications.

[ES] Actualmente, los vehículos propulsados por motores de combustión interna alternativos (MCIA) constituyen uno de los mayores agentes contaminantes para el medio ambiente. En este sentido, ha existido una importante cooperación internacional para promulgar leyes que regulen las emisiones contaminantes. De manera que los fabricantes de coches han impulsado el desarrollo de tecnologías más limpias y amigables con el medio ambiente. Ante esta situación, ha surgido recientemente la electrificación, como uno de los proyectos más ambiciosos de la industria automotriz para los próximos años. Sin embargo, esta meta parece aún lejana en el horizonte. En tal sentido, la hibridación con motores térmicos y eléctricos parece ser el camino a seguir en el corto plazo. Por consiguiente, los MCIA seguirán siendo la principal fuente de propulsión terrestre durante los años venideros. Para mitigar los inherentes efectos contaminantes de los motores de combustión interna, se han propuesto diferentes tecnologías para desarrollar motores más eficientes. Entre ellas, la aplicación de recubrimientos térmicos en las paredes de la cámara de combustión apunta a reducir las pérdidas por calor en el motor, y así aumentar su eficiencia térmica. El objetivo principal de esta tesis es estudiar el impacto de aplicar recubrimientos térmicos en las paredes de la cámara de combustión en motores de combustión interna. En este sentido, determinar los flujos de calor experimentalmente a través de las paredes es complicado y no del todo fiables, debido a que dependen de la medición de las temperaturas de pared. Por este motivo, el CFD-CHT es utilizado. El primer paso fue validar la herramienta computacional que es utilizada para los cálculos en motores de combustión interna. Para ello se realizó un estudio preliminar en geometrías sencillas como una tubería circular o un canal rectangular. Se evaluaron los modelos de transferencia de calor y se determinó la relevancia de ciertos parámetros como la rugosidad. Para complementar el estudio, se realizó un análisis de las temperaturas en una geometría más realista como el pistón de un MCIA. Los valores de temperatura calculados por el software fueron casi iguales a las medidas experimentales. Por consiguiente, la fiabilidad de la herramienta computacional fue verificada. Seguidamente, se plantea una metodología para abordar al problema de modelar capas muy finas de recubrimientos térmicos en el espacio tridimensional. Para de esta manera poder simular las paredes recubiertas en la cámara de combustión. La metodología consiste en definir un material equivalente con un espesor y número de nodos que permitan un mallado computacionalmente realista. Para ello se utilizó un DoE en combinación con un análisis de regresión múltiple. Los primeros estudios se llevaron a cabo en un motor de gasolina. El modelado se llevó a cabo para dos configuraciones: motor con paredes metálicas y motor con pistón y culata recubiertos. A través de un análisis exhaustivo de la transferencia del calor, se evaluó el impacto que tenía aplicar el revestimiento térmico en el motor. La comparación con datos experimentales demuestran la utilidad del cálculo CHT para evaluar las pérdidas de calor en un MCIA. Sin embargo, ninguna mejora fue observada en el motor de gasolina debido al tipo de recubrimiento aplicado en las paredes de la cámara de combustión. Las simulaciones llevadas a cabo en el motor de gasolina permitieron determinar que los cálculos CHT son computacionalmente largos. En este sentido, una serie de estrategias diseñadas a optimizar los cálculos han sido analizadas con el fin de reducir los tiempos de cálculo. A través de este estudio, se encontró una metodología para optimizar la malla del dominio computacional. Esta última, emplea un refinamiento AMR basado en la distancia de pared. Este método es utilizado para modelar el impacto de aplicar un revestimiento tér / [CA] Actualment, els vehicles propulsats per motors de combustió interna alter- natius (MCIA) constitueixen un dels majors agents contaminants per al medi ambient. En aquest sentit, ha existit una important cooperació internacional per a promulgar lleis que regulen les emissions contaminants. De manera que els fabricants de cotxes han impulsat el desenvolupament de tecnologies més netes i amigables amb el medi ambient. Davant aquesta situació, ha sorgit recentment l'electrificació, com un dels projectes més ambiciosos de la indústria automotriu per als pròxims anys. No obstant això, aquesta meta sembla encara llunyana en l'horitzó. En tal sentit, la hibridació amb motors tèrmics i elèctrics sembla ser el camí a seguir en el curt termini. Per consegüent, els MCIA continuaran sent la principal font de propulsió terrestre durant els anys esdevenidors. Per a mitigar els inherents efectes contaminants dels motors de combustió interna, s'han proposat diferents tecnologies per a desenvolupar motors més eficients. Entre elles, l'aplicació de recobriments tèrmics en les parets de la cambra de combustió apunta a reduir les pèrdues per calor en el motor, i així augmentar la seua eficiència tèrmica. L'objectiu principal d'aquesta tesi és estudiar l'impacte d'aplicar reco- briments tèrmics en les parets de la cambra de combustió en motors de combustió interna. En aquest sentit, determinar els fluxos de calor experi- mentalment a través de les parets és complicat i no del tot fiable, pel fet que depenen del mesurament de les temperatures de paret. Per aquest motiu, el CFD-CHT (Computational fluid dynamics-Conjugate Heat Transfer) és utilitzat. El primer pas va ser validar l'eina computacional que és utilitzada per als càlculs en motors de combustió interna. Per a això es va realitzar un estudi preliminar en geometries senzilles com una canonada circular o un canal rectangular. Es van avaluar els models de transferència de calor i es va determinar la rellevància de certs paràmetres com la rugositat. Per a complementar l'estudi, es va realitzar una anàlisi de les temperatures en una geometria més realista com el pistó d'un MCIA. Els valors de temperatura calculats pel software van ser quasi iguals a les mesures experimentals. Per consegüent, la fiabilitat de l'eina computacional va ser verificada. Seguidament, es planteja una metodologia per a abordar el problema de modelar capes molt fines de recobriments tèrmics en l'espai tridimensional, per a d'aquesta manera poder simular les parets recobertes en la cambra de combustió. La metodologia consisteix a definir un material equivalent amb una grossària i nombre de nodes que permeten un mallat computacionalment realista. Per a això es va utilitzar un DoE (Design of experiments) en combinació amb una anàlisi de regressió múltiple. Els primers estudis es van dur a terme en un motor de gasolina. El mod- elatge es va dur a terme per a dues configuracions: motor amb parets metàl·liques i motor amb pistó i culata recoberts. A través d'una anàlisi exhaustiva de la transferència de la calor, es va avaluar l'impacte que tenia aplicar el revestiment tèrmic en el motor. La comparació amb dades experi- mentals demostren la utilitat del càlcul CHT per a avaluar les pèrdues de calor en un MCIA. No obstant això, cap millora va ser observada en el motor de gasolina a causa de la mena de recobriment aplicada en les parets de la cambra de combustió. Les simulacions dutes a terme en el motor de gasolina van permetre determinar que els càlculs CHT són computacionalment llargs. En aquest sentit, una sèrie d'estratègies dissenyades per a optimitzar els càlculs han sigut analitzades amb la finalitat de reduir els temps de càlcul. A través d'aquest estudi, es va trobar una metodologia per a optimitzar la malla del domini computacional. Aquesta última, empra un refinament AMR basat en la distància de paret. / [EN] Currently, vehicles powered by internal combustion engines (ICE) are targeted as contributing largely to environmental pollution. In this regard, there has been significant international cooperation to enact laws that regulate the polluting emissions. Hence, the car manufacturers have oriented efforts to the development of cleaner and more eco-friendly technologies. In order to face this situation, electrified vehicles have emerged as one of the most promising projects in the automotive industry for the coming years. However, this target still seems far on the horizon. In this sense, hybridization with thermal and electric engines seems to be the path to follow in the short term. Consequently, ICEs will continue to be one of the important sources of terrestrial propulsion in the coming years. To mitigate the inherent polluting effects of internal combustion engines, different technologies have been proposed to develop more efficient engines. Among them, the application of thermal coatings on the combustion chamber walls. This technology aims at reducing the heat losses in the engine, and thus increase its thermal efficiency. The main objective of this thesis is to study the impact of coating the combustion chamber walls of an engine on heat losses and thermal efficiency. The experimental definition of the heat fluxes through the walls is complex and not very reliable because it requires the measurement of wall temperatures. For this reason, CFD-CHT (Computational fluid dynamics-Conjugate Heat Transfer) is used. The first step was to validate the computational tool employed for CFD-CHT calculations in internal combustion engines. For this, a preliminary study in simple geometries such as a circular pipe or a rectangular channel was performed. Heat transfer models were evaluated and the relevance of certain parameters such as roughness was determined. To reinforce the study, a thermal analysis in a more realistic geometry such as the piston of a CI engine was carried out. The temperature values calculated by the software were almost the same as the experimental measurements. Consequently, the reliability of the computational tool was verified. Next, a methodology was proposed to address the problem of modeling very thin layers of thermal coating for three-dimensional CFD-CHT calculations. The methodology consists in defining an "equivalent material" with a thickness and number of nodes that allow a computationally realistic mesh. For this, a DoE in combination with a multiple regression analysis was employed. The first CFD-CHT simulations in ICEs were carried out for a gasoline engine. The study was performed for two configurations: metallic engine and engine with coated piston and cylinder head. An exhaustive heat transfer analysis was made in order to determine the impact of applying the thermal coating on the engine. Comparison with experimental data proved the suitability of the CHT calculations to evaluate heat losses in ICEs. However, no improvement on engine efficiency was observed in the gasoline engine due to the type of coating applied on the combustion chamber walls. Experience with the gasoline engine calculations showed that CHT calculations were very time consuming. In this regard, some strategies aimed at optimizing the calculations were analyzed in order to reduce calculation times. The most successful methodology was based on AMR cell refinement to optimize the mesh and reduce significantly the computational costs. This approach was used to study the impact of applying a new generation thermal coating on the piston top of a Diesel engine. The results obtained indicated that this type of coating allows for some improvement in the thermal efficiency of the engine without affecting its performance. / The author wishes to acknowledge the financial support received through contract FPI-2018-S2-1205 of the Programa para la Formación de Personal investigador (FPI) 2018 of Universitat Politècnica de València. Parts of the work presented in this thesis have received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme undergrant agreement No 724084.The author wishes to thank IFPEN for their permission to use their single cylinder engine geometry and experimental results, as well as Saint Gobain Research Provence for providing the coating characteristics.The respondent wants to express its gratitude to CONVERGENT SCIENCE Inc. and Convergent Science GmbH for their kind support for performingthe CFD-CHT calculations using CONVERGE software / Escalona Cornejo, JE. (2021). Modelling of Heat Losses through Coated Cylinder Walls and their Impact on Engine Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165244

[ES] El principal objetivo de esta tesis es el estudio de flujos térmicos turbulentos en canales para obtener un mayor conocimiento sobre el fenómeno de la turbulencia. Para ello, se ha realizado un estudio desde el punto de vista de la mecánica de fluidos computacional, en concreto, se ha utilizado la técnica de las simulaciones numéricas directas (DNS de sus siglas en inglés). La idea principal de las simulaciones realizadas ha sido ampliar el estado del arte actual, en lo referente a los dos parámetros principales que caracterizan el flujo: el número de Reynolds de fricción, Reτ, y el número de Prandtl, Pr. Dos configuraciones del flujo han sido utilizadas: flujo de Poiseuille y flujo de Couette, siendo la primera el principal foco del estudio. En cuanto al campo de temperaturas, se ha utilizado una condición de contorno mixta y se ha considerado como un escalar pasivo. Así pues, los números de Reynolds de fricción simulados para un flujo de Poisuille han sido Reτ = 500, 1000 y 2000, para números de Prandtl que varían desde 0.007 (metales fundidos) hasta 10 (agua), pasando por 0.71 que es el valor más utilizado por ser éste el número de Prandtl del aire. Además, se ha realizado una simulación con Reτ = 5000 y Pr = 0.71, la cual es la DNS térmica con el número de Reynolds de fricción más alto hasta la fecha. Destacar que para los números de Prandtl más altos, se ha observado que el valor máximo de la varianza de la temperatura es constante. Esto tiene un importante beneficio en el escalado cerca de la pared de los términos de disipación y difusión viscosa del balance de energía de θ′'+. Por último en lo referente a simulaciones de flujos de Poiseuille, se ha estudiado el caso isotérmico con Reτ = 10000, la cual es la mayor DNS de un canal turbulento, obteniendo por primera vez en una DNS una capa logarítmica perfectamente desarrollada en el campo de velocidades. Un estudio teórico, basado en las simetrías de Lie, ha sido llevado a cabo en paralelo a las simulaciones. El principal objetivo ha sido la generación de leyes de escaldo, basadas en primeros principios, del campo de velocidades, temperatura y momentos de altos órdenes de ambos campos. El resultado es que para números de Reynolds y Péclet suficientemente altos, dichos campos escalan como leyes de defecto de funciones de potencia de la distancia de la pared en el centro del canal. De la misma forma, se ha obtenido un escalado de la velocidad en la capa logarítmica para el caso de Reτ = 10000, obteniendo la clásica función logarítmica para la velocidad media y una función potencial para los momentos de órdenes superiores. Las leyes de escalado han sido validadas con los datos obtenidos en las DNS, obteniendo una precisión excelente. Por último, se han realizado una simulaciones de flujo de Couette con el número de Prandtl de aire, Pr = 0.71, y números de Reynolds de fricción de valores Reτ = 180, 250 y 500. El principal objetivo era el estudio de las estructuras coherentes que se forman en estos flujos de Couette. En concreto, se ha visto que las intensidades turbulentas dependen del número y tamaño de las estructuras. Es por ello que se necesita como mínimo una anchura del dominio computacional de 6πh para que las estadísticas sean independientes. Una última serie de simulaciones ha sido llevada a cabo considerando flujo estratificado. El objetivo era estudiar si las estructuras de Couette persisten en este tipo de flujos. Para un Reτ = 500 y el número de Prandtl de aire, Pr = 0.71, se han tomado valores del número de Richardson de fricción, Riτ = 0.5, 1.65 y 2.90. Para los dos casos con el número de Richardson de fricción más alto, las estructuras del flujo de Couette se debilitan hasta el punto de ser casi inexistentes. Las principales estadísticas de las simulaciones se encuentran disponibles en la base de datos del grupo de investigación, la cual está abierta a la comunidad científica y se puede acceder desde el siguiente enlace http://personales.upv.es/serhocal/ / [CA] El principal objectiu d'aquesta tesis és l'estudi de fluids tèrmics turbulents en canals per obtenir un major coneixement sobre el fenomen de la turbulència. Per a això, s'ha realitzat un estudi des de el punt de vista de la mecànica de fluids computacional, més concretament, s'ha utilitzat la tècnica de les simulacions numèriques directes (DNS de les seues sigles en anglès). La idea principal de les simulacions realitzades ha sigut ampliar l'estat de l'art actual, en lo referent al dos paràmetres principals que caracteritzen un flux: el número de Reynolds de fricció, Reτ , i el número de Prandtl, Pr. Dos configuracions del fluid han sigut utilitzades: flux de Poiseuille i flux de Couette, sent la primera el principal focus de l'estudi. En quant al camp de temperatures, s'ha utilitzat una condició de contorn mixta i s'ha considerat com a un escalar passiu. Així doncs, els primers números de Reynolds de fricció simulats per a un flux de Poisuille han sigut Reτ = 500, 1000 i 2000, per a números de Prandtl que varien des de 0.007 (metalls fosos) fins 10 (aigua), passant per 0.71 que és el valor més utilitzat per se aquest el número de Prandtl de l'aire. A més, s'ha realitzat una simulació con Reτ = 5000 i Pr = 0.71, la qual és la DNS tèrmica con el número de Reynolds de fricció més alt fins avui. Destacar que per a números de Prandtl més alts, s'ha observat que el valor màxim de la variància de la temperatura és constant. Això té un important benefici en l'escalat cerca de la paret dels terminis de dissipació i difusió viscosa del balanç d'energia de θ′'+. Per últim, en lo referent a simulacions de fluxos de Poiseuille, s'ha estudiat el cas isotèrmic amb Reτ = 10000, el qual és el major DNS de un canal turbulent, obtenint per primera vegada en una DNS una capa logarítmica perfectament desenvolupada en el camp de les velocitats. Un estudi teòric , basat en les simetries de Lie, ha sigut portat a terme en paral·lel a les simulacions. El principal objectiu ha sigut la generació de lleis d'escalat, basades en primers principis, del camp de velocitats, temperatura i els moments d'altos ordres de ambdós camps. El resultat és que per a números de Reynolds i Péclet suficientment alts, aquests camps escalen com lleis de defecte de funcions de potència de la distància de la paret en el centre del canal. De la mateixa manera, s'ha obtingut un escalat de la velocitat en la capa logarítmica per al caso de Reτ = 10000, obtenint la clàssica funció logarítmica per a la velocitat mitjana i una funció potencial per als moments d'ordres superiors. Les lleis d'escalat han sigut validades amb les dades obtingudes en les DNS, obtenint una precisió excel·lent. Per últim, s'ha realitzat una simulació de fluxos de Couette amb el número de Prandtl d l'aire, Pr = 0.71, i números de Reynolds de fricció de valors Reτ = 180, 250 i 500. El principal objectiu era l'estudi de les estructures coherents que es formen en aquests fluxos de Couette. Concretament, s'ha vist que les intensitats turbulentes depenen del número i mesura de les estructures. Es per això que es necessita com a mínim una amplada del domini computacional de 6π h per a que les estadístiques siguin independents. Una última sèrie de simulacions ha sigut feta considerant el flux estratificat. L'objectiu era estudiar si les estructures de Couette persisteixen en aquest tipus de fluxos. Per a un Reτ = 500 i el número de Prandtl d'aire, Pr = 0.71, s'han agafat valors del número de Richardson de fricció, Riτ = 0.5, 1.65 i 2.90. Per als dos casos amb el número de Richardson de fricció més alt, les estructures de flux de Couette es debiliten fins al punt de ser casi inexistents. Les principals estadístiques de les simulacions es troben disponibles en les bases de dades del grup d'investigació, el qual està obert a la comunitat científica i es pot accedir des de el següent enllaç http://personales.upv.es/serhocal/ / [EN] The main objective of this thesis is the study of thermal turbulent channel flows to obtain a greater knowledge about the phenomenon of turbulence. For this, a study has been carried out from the point of view of computational fluid mechanics, specifically, the technique of direct numerical simulations (DNS) has been used. The main idea of the simulations conducted has been to expand the current state of the art, in relation to the two main parameters that characterize the flow: the friction Reynolds number, Reτ, and the Prandtl number, Pr. Two flow configurations have been used: Poiseuille flow and Couette flow, the former being the main focus of the study. Regarding the temperature field, a mixed boundary condition has been used and it has been considered as a passive scalar. Thus, the simulated friction Reynolds numbers for a Poisuille flow have been Reτ = 500, 1000 and 2000, for Prandtl numbers that vary from 0.007 (molten metals) to 10 (water), passing through 0.71 which is the value more used because this is the Prandtl number of the air. In addition, a simulation has been carried out with Reτ = 5000 and Pr = 0.71, which is the thermal DNS with the highest friction Reynolds number to date. It should be noted that for the highest Prandtl numbers, it has been observed that the maximum value of the variance of the temperature is constant. This has an important benefit in scaling near the wall of the dissipation and viscous diffusion budget terms of the τ'+. Finally, with regard to Poiseuille flow simulations, the isothermal case has been studied with Reτ = 10000, which is the highest DNS of a turbulent channel flow, obtaining for the first time in a DNS a perfectly developed logarithmic layer in the velocity field. A theoretical study, based on Lie symmetries, has been carried out in parallel to the simulations. The main objective has been the generation of scald laws, based on first principles, of the field of velocity, temperature and high order moments of both fields. The result is that for sufficiently high Reynolds and Péclet numbers, these fields scale as defect laws of power functions of the distance to the wall in the center of the channel. In the same way, a scaling of the speed in the logarithmic layer has been obtained for the case of Reτ = 10000, obtaining the classic logarithmic function for the average velocity and a potential function for the moments of higher orders. The scaling laws have been validated with the data obtained in the DNS, obtaining excellent precision. Finally, a set of Couette flow simulations have been carried out with the Prandtl number of air, Pr = 0.71, and Reynolds friction numbers of Reτ = 180, 250 and 500. The main objective was the study of coherent structures that are formed in these Couette flows. Specifically, it has been seen that turbulent intensities depend on the number and size of the structures. For this reason, a minimum width of the computational domain of 6πh is required for the statistics to be independent. A last series of simulations has been carried out considering stratified flow. The objective was to study whether Couette structures persist in this type of flow. Thus, for a Reτ = 500 and the Prandtl number of air, Pr = 0.71, the values of the friction Richardson number have been varied according to, Riτ = 0.5, 1.65 and 2.90, for each simulation. For the two cases with the highest friction Richardson number, the Couette flow structures weaken to the point of being almost non-existent. The main statistics of the simulations are available in the research group's database, which is open to the scientific community and can be accessed from the following link http://personales.upv.es/serhocal/ / Esta tesis ha recibido la ayuda de MINECO/FEDER proyecto ENE2015-71333-R. / Alcántara Ávila, F. (2021). Study of the Thermal Field of Turbulent Channel Flows Via Direct Numerical Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180122

[ES] La actual crisis climática ha instado a la comunidad investigadora y a los fabricantes a brindar soluciones para hacer que el sector del transporte sea más sostenible. De entre las diversas tecnologías propuestas, la combustión a baja temperatura ha sido objeto de una extensa investigación. La combustión premezclada dual-fuel es uno de los conceptos que abordan el compromiso de NOx-hollín en motores de encendido por compresión manteniendo alta eficiencia térmica. Esta combustión hace uso de dos combustibles con diferentes reactividades para mejorar la controlabilidad de este modo de combustión en un amplio rango de funcionamiento. De manera similar a todos los modos de combustión premezclados, esta combustión es sensible a las condiciones de operación y suele estar sujeta a variabilidad cíclica con gradientes de presión significativos. En consecuencia, se requieren estrategias de control avanzadas para garantizar un funcionamiento seguro y preciso del motor. El control en bucle cerrado es una herramienta eficaz para abordar los desafíos que plantea la combustión premezclada dual-fuel. En este tipo de control, para mantener el funcionamiento deseado, las acciones de control se adaptan y corrigen a partir de una retroalimentación con las señales de salida del motor. Esta tesis presenta estrategias de control basadas en la medición de la señal de presión en el cilindro, aplicadas a motores de combustión premezclada dual-fuel. En ella se resuelven diversos aspectos del funcionamiento del motor mediante el diseño de controladores dedicados, haciéndose especial énfasis en analizar e implementar estas soluciones a los diferentes niveles de estratificación de mezcla considerados en estos motores (es decir, totalmente, altamente y parcialmente premezclada). Inicialmente, se diseñan estrategias de control basadas en el procesamiento de la señal de presión en el cilindro y se seleccionan acciones proporcionales-integrales para asegurar el rendimiento deseado del motor sin exceder las limitaciones mecánicas del motor. También se evalúa la técnica extremum seeking para realizar una supervisión de una combustión eficiente y la reducción de emisiones de NOx. Luego se analiza la resonancia de la presión en el cilindro y se implementa un controlador similar a aquel usado para el control de knock para garantizar el funcionamiento seguro del motor. Finalmente, se utilizan modelos matemáticos para diseñar un modelo orientado a control y un observador que tiene como objetivo combinar las señales medidas en el motor para mejorar las capacidades de predicción y diagnóstico en dicha configuración de motor. Los resultados de este trabajo destacan la importancia de considerar el control en bucle cerrado para abordar las limitaciones encontradas en los modos de combustión premezclada. En particular, el uso de la medición de presión en el cilindro muestra la relevancia y el potencial de esta señal para desarrollar estrategias de control complejas y precisas. / [CA] L'actual crisi climàtica ha instat a la comunitat investigadora i als fabricants a brindar solucions per a fer que el sector del transport siga més sostenible. D'entre les diverses tecnologies proposades, la combustió a baixa temperatura ha sigut objecte d'una extensa investigació. La combustió premesclada dual-fuel és un dels conceptes que aborden el compromís de NOx-sutge en motors d'encesa per compressió mantenint alta eficiència tèrmica. Aquesta combustió fa ús de dos combustibles amb diferents reactivitats per a millorar la controlabilitat d'aquest tipus de combustió en un ampli rang de funcionament. De manera similar a tots els tipus de combustió premesclada, aquesta combustió és sensible a les condicions d'operació i sol estar subjecta a variabilitat cíclica amb gradients de pressió significatius. En conseqüència, es requereixen estratègies de control avançades per a garantir un funcionament segur i precís del motor. El control en bucle tancat és una eina eficaç per a abordar els desafiaments que planteja la combustió premesclada dual-fuel. En aquesta mena de control, per a mantindre el funcionament desitjat, les accions de control s'adapten i corregeixen a partir d'una retroalimentació amb els senyals d'eixida del motor. Aquesta tesi presenta estratègies de control basades en el mesurament del senyal de pressió en el cilindre, aplicades a motors de combustió premesclada dual-fuel. En ella es resolen diversos aspectes del funcionament del motor mitjançant el disseny de controladors dedicats, fent-se especial èmfasi a analitzar i implementar aquestes solucions als diferents nivells d'estratificació de mescla considerats en aquests motors (és a dir, totalment, altament i parcialment premesclada). Inicialment, es dissenyen estratègies de control basades en el processament del senyal de pressió en el cilindre i se seleccionen accions proporcionals-integrals per a assegurar el rendiment desitjat del motor sense excedir les limitacions mecàniques del motor. També s'avalua la tècnica extremum seeking per a realitzar una supervisió d'una combustió eficient i la reducció d'emissions de NOx. Després s'analitza la ressonància de la pressió en el cilindre i s'implementa un controlador similar a aquell usat per al control de knock per a garantir el funcionament segur del motor. Finalment, s'utilitzen models matemàtics per a dissenyar un model orientat a control i un observador que té com a objectiu combinar els senyals mesurats en el motor per a millorar les capacitats de predicció i diagnòstic en aquesta configuració de motor. Els resultats d'aquest treball destaquen la importància de considerar el control en bucle tancat per a abordar les limitacions trobades en la combustió premesclada. En particular, l'ús del mesurament de pressió en el cilindre mostra la rellevància i el potencial d'aquest senyal per a desenvolupar estratègies de control complexes i precises. / [EN] The current climate crisis has urged the research community and manufacturers to provide solutions to make the transportation sector cleaner. Among the various technologies proposed, low temperature combustion has undergone extensive investigation. Premixed dual-fuel combustion is one of the concepts addressing the NOx-soot trade-off in compression ignited engines, while maintaining high thermal efficiency. This combustion makes use of two fuels with different reactivities in order to improve the controllability of this combustion mode over a wide range of operation. Similarly to all premixed combustion modes, this combustion is nevertheless sensitive to the operating conditions and traditionally exhibits cycle-to-cycle variability with significant pressure gradients. Consequently, advanced control strategies to ensure a safe and accurate operation of the engine are required. Feedback control is a powerful approach to address the challenges raised by the premixed dual-fuel combustion. By measuring the output signals from the engine, strategies can be developed to adapt and correct the control actions to maintain the desired operation. This thesis presents control strategies, based on the in-cylinder pressure signal measurement, applied to premixed dual-fuel combustion engines. Various objectives were addressed by designing dedicated controllers, where a special emphasis was made towards analyzing and implementing these solutions to the different levels of mixture stratification considered in these engines (i.e., fully, highly and partially premixed). At first, feedback control strategies based on the in-cylinder pressure signal processing were designed. Proportional-integral actions were selected to ensure the desired engine performance without exceeding the mechanical constraints of the engine. Extremum seeking was evaluated to track efficient combustion phasing and NOx emissions reduction. The in-cylinder pressure resonance was then analyzed and a knock-like controller was implemented to ensure safe operation of the engine. Finally, mathematical models were used to design a control-oriented model and a state observer that aimed to leverage the signals measured in the engine to improve the prediction and diagnostic capabilities in such engine configuration. The results from this work highlighted the importance of considering feedback control to address the limitations encountered in premixed combustion modes. Particularly, the use of the in-cylinder pressure measurement showed the relevance and potential of this signal to develop complex and accurate control strategies. / This thesis was financially supported by the Programa Operativo del Fondo Social Europeo (FSE) de la Comunitat Valenciana 2014-2020 through grant ACIF/2018/141. / Barbier, ARS. (2022). In-Cylinder Pressure-Based Control of Premixed Dual-Fuel Combustion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183274