[ES] En el presente trabajo se explora posibles soluciones a dos hechos correlacionados que podrían comprometer hasta cierto punto nuestro futuro. Por un lado, el crecimiento de la flota de aeronaves pequeñas en los próximos años, ya sean tripuladas o no, es una realidad. El acceso a estas aeronaves por parte de un público cada vez más mayoritario crece año a año y, al mismo tiempo, los fabricantes adaptan sus aeronaves a misiones que hace unos años no éramos capaces de contemplar. Por otro lado, y por desgracia, el cambio climático también es una realidad que no solo compromete nuestro futuro, sino también nuestro presente. Hoy en día la alerta climática es y debe ser elevada, y si no encontramos soluciones que ayuden a paliar este problema, la vida en el planeta podría cambiar irremediablemente para peor. Ambos hechos se encuentran implícitamente relacionados. La fabricación y operación de vehículos contribuye notablemente a aumentar la huella de carbono. Por lo tanto, el aumento de flota en los próximos años puede tener un impacto notablemente negativo en las emisiones contaminantes y gases de efecto invernadero globales. Es por ello por lo que organismos oficiales y sectores de desarrollo científico y tecnológico impulsan la investigación de posibles soluciones. Este trabajo intenta poner su grano de arena para minimizar este problema común. Se propone la utilización de múltiples tecnologías con el objetivo de disminuir el combustible requerido por aeronaves de 25kg al despegue, y de esta forma, disminuir las emisiones asociadas a su operación. Las tecnologías aplicadas son la hibridación eléctrica en serie, la propulsión eléctrica distribuida y la ingestión de capa límite. Por separado, estas tecnologías han demostrado múltiples ventajas, especialmente en términos de mejora propulsiva y aerodinámica de las aeronaves, lo que repercute directamente en el consumo de combustible. Sin embargo, este trabajo propone la utilización simultánea de todas ellas con el objetivo de disminuir aún más el consumo de combustible y, por tanto, las emisiones contaminantes y gases de efecto invernadero. Para ello, tras estas páginas se eligen los parámetros principales de esta aeronave y se acompaña de un exhaustivo análisis del comportamiento fluidodinámico. Con la comprensión de su comportamiento, es posible optimizar la selección de sus componentes, de forma que se obtienen mejoras importantes en el consumo de combustible. Este ahorro de combustible se muestra en comparación con aeronaves similares en tamaño y peso, pero que no incluyen estas tecnologías, logrando para un mismo alcance un ahorro del 16% del peso del combustible. La realización de este trabajo se centra en el empleo de herramientas computacionales apoyándose sobre todo en la dinámica de fluidos computacional (CFD). Esta herramienta principal se verá complementada con el uso de descomposición modal para realizar los análisis y de la creación de una base de datos que ayude a crear modelos rápidos útiles en futuros diseños preliminares y conceptuales de aeronaves de este tipo. / [CA] En aquest treball s'exploren possibles solucions a dos fets correlacionats que podrien comprometre d'alguna manera el nostre futur. Per un costat, el creixement de la flota d'aeronaus de xicoteta dimensió en el futur, tant tripulades com no tripulades, és una realitat. L'accés a aquestes aeronaus per part d'un públic cada cop més majoritari creix any rere any i, al mateix temps, els fabricants adapten les aeronaus a feines que anys enrere no eren capaços d'assolir. Per l'altre costat, malauradament, el canvi climàtic és un fet que compromet tant el nostre futur com el nostre present. Hui en dia l'alerta climàtica és elevada i, si no trobem solucions per a pal·liar aquest problema la vida al nostre planeta, podria canviar irremeiablement a pitjor. Ambdós fets es troben implícitament relacionats. La fabricació i l'operació de vehicles contribueix notablement a augmentar l'empremta de carboni. Per tant, l'increment de flota en els pròxims anys pot tindre un efecte negatiu molt notable en les emissions contaminants i gasos d'efecte hivernacle globals. És per això que organismes oficials i sectors de desenvolupament científic i tecnològic impulsen la investigació de possibles solucions. Aquest treball intenta aportar el seu granet de sorra per minimitzar aquest problema comú. Es proposa la utilització de múltiples tecnologies amb l'objectiu de reduir el combustible emprat per aeronaus de fins a 25kg i, per tant, disminuir les emissions associades a la seua operació. Les tecnologies aplicades són la hibridació elèctrica en sèrie, la propulsió elèctrica distribuïda i la ingestió de capa límit. Separadament, aquestes tecnologies han demostrat múltiples avantatges, especialment en termes de millora propulsiva i aerodinàmica de les aeronaus, repercutint directament en el consum de combustible. No obstant, aquest treball proposa la utilització simultània de totes elles amb l'objectiu de reduir encara més el consum de combustible i, per tant, les emissions contaminants i gasos d'efecte hivernacle. Per fer-ho, en les darreres pàgines es trien els paràmetres principals de l'aeronau i s'acompanyen d'una exhaustiva anàlisi del comportament de la dinàmica de fluids. Comprenent el seu comportament, és possible optimitzar la selecció dels seus components, de manera que s'obtenen millores importants en el consum de combustible. L'estalvi de combustible es mostra en comparació amb aeronaus similars en mida i pes, però que no inclouen aquestes tecnologies, aconseguint per a un mínim abast un estalvi del 16% del pes del combustible. La realització d'aquest treball es centra en l'ús d'eines computacionals recolzant-se sobretot en la dinàmica de fluids computacional (CFD). Aquesta eina principal es veurà complementada amb l'ús de descomposició modal per a elaborar les anàlisis i de la creació d'una base de dades que ajude a crear models ràpids i útils en futurs dissenys conceptuals i preliminars d'aeronaus d'aquest tipus. / [EN] The present work explores possible solutions to two correlated events that could compromise our future to some extent. On the one hand, the growth of the fleet of small aircraft in the coming years, whether manned or not, is a reality. Access to these aircraft by an increasing majority of the public grows year after year and at the same time, manufacturers adapt their aircraft to missions that we could not contemplate a few years ago. On the other hand, and unfortunately, climate change is also a reality that compromises not only our future but also our present. Today the climate alert is and must be elevated. If we do not find solutions that help alleviate this problem, life on the planet could irremediably change for the worse. Both facts are implicitly related. The manufacture and operation of vehicles contribute significantly to increasing the carbon footprint, so the increase in the fleet in the coming years may have an extremely negative impact on global polluting and greenhouse gas emissions. That is why official organizations and scientific and technological development sectors promote research for possible solutions. This work tries to do its bit to minimize this common problem. Multiple technologies are proposed to reduce the fuel required by 25kg aircraft at takeoff and, thus, reduce the emissions associated with their operation. The applied technologies are electric series hybridization, distributed electric propulsion, and boundary layer ingestion. Separately, these technologies have shown multiple advantages, especially in terms of improving aircraft propulsion and aerodynamics, which directly affects fuel consumption. Nevertheless, this work proposes the simultaneous use of all of them to reduce fuel consumption further and, therefore, polluting and greenhouse gas emissions. To do this, after these pages, the main parameters of this aircraft are chosen and accompanied by an exhaustive analysis of the fluid dynamic behavior. With an understanding of its behavior, it is possible to optimize its components' selection so that significant fuel consumption improvements are obtained. This fuel saving is shown in comparison with similar aircraft in size and weight, but that does not include these technologies, achieving a saving of 16% of fuel weight for the same range. This work's conduction focuses on employing computational tools mainly based on computational fluid dynamics (CFD). This primary tool will be complemented by the use of modal decomposition to carry out the analyses, and the creation of a database that will help create quick models useful in future conceptual and preliminary designs of this type of aircraft. / The respondent would like to acknowledge the financial support received through contract FPI-UPV PREDOCFD/19 of Subprograma 2 of Universitat Politècnica de València / Varela Martínez, P. (2023). On the Analysis and Design of Series Hybrid Distributed Electric Propulsion with Boundary Layer Ingestion of Remotely Piloted Aircraft [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192805

[ES] El interés en reducir el peso y resistencia aerodinámica de vehículos y en desarrollar fuentes de energía renovables se ha incrementado debido a la compleja situación ambiental y los requerimientos legales para reducir las emisiones de contaminantes y el consumo de combustibles. La industria aeronáutica ha propuesto nuevos diseños que integren conceptos como alas de alto alargamiento y materiales con elevada resistencia específica, como los materiales compuestos. Por su parte, conceptos similares se emplean en la generación de energía eólica. El radio de las palas de las turbinas eólicas se incrementa paulatinamente, siendo un ejemplo muy claro las grandes instalaciones off-shore. El uso de estructuras más alargadas y ligeras provoca mayor deformación debida a las cargas aerodinámicas. Este fenómeno se conoce como aeroelasticidad y combina los efectos de las cargas aerodinámicas, los efectos inerciales y las tensiones internas de la estructura. La combinación de las cargas anteriores provoca fenómenos de amortiguamiento de las vibraciones, o por el contrario, inestabilidades aeroelásticas. Diferentes metodologías pueden ser empleadas para simular los fenómenos aeroelásticos. La metodología más extendida para la simulación de las ecuaciones elásticas del sólido es la conocida como análisis de elementos finitos. Respecto a las ecuaciones de conservación del fluido, la mecánica de fluidos computacional es la herramienta de resolución para un problema arbitrario. La combinación de las metodologías anteriores puede ser empleada para el cálculo de fenómenos aeroelásticos. Sin embargo, el coste computacional de estas simulaciones es inasumible en la mayoría de casos de aplicación. Se requiere una metodología nueva capaz de reducir el coste de cálculo. Este trabajo se centra en el desarrollo de modelos de orden reducido que permitan resolver el problema acoplado sin pérdidas sustanciales de precisión. En primer lugar, la estructura tridimensional se reduce a una sección equivalente que reproduzca la física del sólido original. La sección equivalente se acopla con dos modelos aerodinámicos: simulaciones de mecánica de fluidos computacional y un modelo reducido basado en redes neuronales. Ambos modelos presentan elevada precisión respecto a las simulaciones tridimensionales. Sin embargo, algunos efectos como los efectos aerodinámicos tridimensionales, las distribuciones de carga aerodinámica, la presencia de materiales ortotrópicos y los acoplamientos estructurales no pueden ser simulados. Con el objetivo de resolver los limitantes del modelo anterior, se propone un segundo modelo de orden reducido. En este caso se trata de un algoritmo basado en elementos de viga. El algoritmo se diseña para ser capaz de incluir el cálculo de materiales ortotrópicos y diferentes tipos de problemas aeroelásticos. Inicialmente, se emplea el software para determinar su precisión en el cálculo de una viga de material compuesto y sección rectangular. Estos resultados se validan con las simulaciones tridimensionales. De este modo se demuestra la capacidad de la herramienta computacional para predecir las inestabilidades y los efectos de acoplamiento estructural provocados por la orientación de las fibras. Posteriormente, el algoritmo se emplea en la simulación de turbinas eólicas, mejorando los rangos de operación de las palas sin que ello suponga una penalización desde el punto de vista del peso de la misma. Finalmente, un ala basada en una estructura de membrana resistente es simulada. El cálculo obtiene una gran precisión en la predicción de la velocidad de flameo respecto a la simulación acoplada, siendo la única limitación del modelo la predicción de la distorsión de la membrana. El trabajo presente un conjunto de modelos de orden reducido que permiten disminuir el coste computacional de las simulaciones aeroelásticas en órdenes de magnitud. También, se proporcionan directrices para la selección del modelo reducido apropiado para los casos de interés. / [CA] L'interès a reduir el pes i la resistència aerodinàmica dels vehicles i a desenvolupar fonts d'energia renovables s'ha incrementat a causa de la complexa situació ambiental i els requeriments legals per a reduir les emissions de contaminants i el consum de combustibles. La indústria aeronàutica ha proposat nous dissenys que integren conceptes com ales d'alt allargament i materials amb elevada resistència específica, com ara els materials compostos. Per la seua banda, conceptes similars es fan servir en la generació d'energia eòlica. El radi de les pales de les turbines eòliques s'incrementa progresivament, sent un exemple molt clar les grans instal·lacions off-shore. L'ús d'estructures més allargades i lleugeres provoca més deformació deguda a les càrregues aerodinàmiques. Aquest fenomen es coneix com a aeroelasticitat i combina els efectes de les càrregues aerodinàmiques, els efectes inercials i les tensions internes de l'estructura. La combinació de les càrregues anteriors provoca fenòmens d'esmorteïment de les vibracions, o per contra, inestabilitats aeroelàstiques. Diferents metodologies poden ser emprades per simular els fenòmens aeroelàstics. La metodologia més estesa per a la simulació de les equacions elàstiques del sòlid és la coneguda com a anàlisi d'elements finits. Pel que fa a les equacions de conservació del fluid, la mecànica de fluids computacional és l'eina de resolució per a un problema arbitrari. La combinació de les metodologies anteriors pot ser emprada per al càlcul de fenòmens aeroelàstics. Tot i això, el cost computacional d'aquestes simulacions és inassumible en la majoria de casos d'aplicació. Cal una metodologia nova capaç de reduir el cost de càlcul. Aquest treball se centra en el desenvolupament de models d'ordre reduït que permeten resoldre el problema acoblat sense pèrdues substancials de precisió. En primer lloc, l'estructura tridimensional es reduix a una secció equivalent que reproduixca la física del sòlid original. La secció equivalent s'acobla amb dos models aerodinàmics. El primer empra les forces aerodinàmiques obtingudes mitjançant simulacions de mecànica de fluids computacional. Posteriorment es fa servir un model reduït basat en xarxes neuronals. Tots dos models presenten elevada precisió respecte a les simulacions tridimensionals. No obstant això, alguns efectes com ara els efectes aerodinàmics tridimensionals, les distribucions de càrrega aerodinàmica, la presència de materials ortotròpics i els acoblaments estructurals no poden ser simulats. Amb l'objectiu de resoldre els limitants del model anterior, es proposa un segon model dordre reduït. En aquest cas és un algorisme basat en elements de biga. L'algorisme es dissenya per ser capaç d'incloure el càlcul de materials ortotròpics i diferents tipus de problemes aeroelàstics. Inicialment, s'empra el programari per determinar-ne la precisió en el càlcul d'una biga de material compost i secció rectangular. Aquests resultats es validen amb les simulacions tridimensionals. D'aquesta manera, es demostra la capacitat de l'eina computacional per predir les inestabilitats i els efectes d'acoblament estructural provocats per l'orientació de les fibres. Posteriorment, l'algorisme s'empra en la simulació de turbines eòliques, millorant els rangs d'operació de les pales sense que això suposi una penalització des del punt de vista del pes. Finalment, una ala basada en una estructura de membrana resistent és simulada. El càlcul obté una gran precisió en la predicció de la velocitat de flameig respecte a la simulació acoblada, i l'única limitació del model és la predicció de la distorsió de la membrana. El treball presenta un conjunt de models reduïts que permeten disminuir el cost computacional de les simulacions aeroelàstiques en ordres de magnitud. També es proporcionen directrius per a la selecció del model reduït adequat per als casos d'interès. / [EN] The complex environmental situation and the legal requirements for decreasing pollutant emissions and fuel consumption have increased the interest in reducing the empty weight and drag of vehicles and developing renewable energy sources. Due to the former, the aviation industry has proposed new designs integrating high strength-to-weight ratios, such as composite materials and higher aspect ratio wings. These increases in aspect ratio have also been applied to wind energy generation. The rotors of wind turbines are increasing their diameters in recent years: a clear example is the massive off-shore facilities. Using larger and lightweight structures increases the effects of the aerodynamic loads on structural deformation. Structural dynamics are strongly connected to the air-structure interaction. This phenomenon, called aeroelasticity, combines the effect of the external aerodynamic loads, the inertial forces, and the internal elastic stress of the structure. The complex combination of all the previous effects may damp the vibrations of the structure, or on the contrary, they could increase their amplitude, resulting in an unstable phenomenon. The simulation of the aeroelastic phenomena can be performed using different approaches. The well-known finite element analysis is the most extended methodology for solving solid elastic equations. Regarding fluid conservation equations, computational fluid dynamics is the principal tool for resolving general aerodynamic problems. The aeroelastic simulations can be calculated by combining the previous algorithms. Nevertheless, the computational cost of these methodologies is excessive for a general engineering case. Therefore, new methodologies are required. This work focuses on developing aeroelastic reduced-order models that compute the coupled phenomena without substantial accuracy losses. Initially, the complete three-dimensional structure is reduced to an equivalent section that reproduces the structure. The equivalent structural section is coupled with two aerodynamic models. The first one uses the forces calculated with aeroelastic computational fluid dynamics. Then, a surrogate model based on artificial neural networks is combined with the equivalent section. Both models show accurate agreement compared to the complete three-dimensional simulations in predicting unstable velocity. However, the three-dimensional aerodynamic effects, load distribution, orthotropic materials, and structural couplings cannot be considered. In order to solve the previous limitations, a reduced-order model based on a beam element solver is proposed. The algorithm is designed to consider a general orthotropic material and different typologies of aeroelastic problems. Initially, the software is proven to simulate accurately a squared cross-section composite material beam. The results are validated with the complete three-dimensional simulations, demonstrating the capabilities of the tool for predicting the instabilities and the effects of the fiber orientations. Then, the algorithm is used for simulating a wind turbine blade, and the algorithm results are used to improve the operation range of the blades without weight penalties. Finally, a resistant membrane wing is simulated, obtaining high accuracy in the prediction of the flutter velocity compared with the complete coupled simulation. In addition, the only limitation of the model is the prediction of the membrane distortion. The work presents a set of reduced-order models that allow for reducing the computational cost of the aeroelastic simulations by orders of magnitude. In addition, a decision pattern is provided for selecting the appropriate algorithm for the interest problem. / This thesis have been funded by Spanish Ministry of Science, Innovation and University through the University Faculty Training (FPU) program with reference FPU19/02201. / Cremades Botella, A. (2023). Fluid-structure interaction with the application to the non-linear aeroelastic phenomena [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199249

[ES] La creciente preocupación por los problemas medioambientales, la disponibilidad de combustibles fósiles unido a la gran demanda de vehículos, han llevado a los gobiernos a regular las emisiones emitidas a la atmósfera. Existen propuestas de adoptar fuentes de energía renovables. Sin embargo, la sustitución de los combustibles derivados del petróleo no será fácil, rápida o rentable, y el transporte propulsado por motores de combustión interna (ICE) seguirá destacando en los próximos años. La eficiencia de la combustión y el rendimiento del motor están influenciados por el complejo proceso de inyección. La inyección directa de gasolina (GDI) aumenta el ahorro de combustible y cumple los requisitos de emisiones contaminantes, aunque queda potencial por descubrir. Por ello, ha sido objeto de estudio en los últimos años y, en consecuencia, de la presente Tesis. Este trabajo tiene como motivación mejorar el entendimiento en el campo del GDI. La compleja naturaleza transitoria del proceso de inyección hace que el estudio experimental sea un desafío. La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) surge como una potente alternativa a los experimentos y ha sido adoptada para esta investigación. Bajo este contexto, el objetivo de la presente Tesis es desarrollar una metodología predictiva para la caracterización hidráulica del inyector, capaz de ser aplicada a las actuales y futuras generaciones de inyectores GDI, independientemente de las características del inyector y del software de estudio. Una vez validada, el objetivo posterior es utilizar los resultados para analizar el comportamiento del chorro. Este enfoque busca seguir los pasos de la comunidad científica sustituyendo la práctica experimental. La validación de la metodología se lleva a cabo mediante su aplicación en dos inyectores GDI solenoides multi-orificio diferentes. Además, se han utilizado dos códigos CFD comerciales: CONVERGE y StarCCM+. La metodología predictiva se centra en el estudio del flujo interno y el campo cercano para caracterizar hidráulicamente el inyector. El problema a tratar se define como un sistema multifásico en un marco Euleriano y considerando un único fluido. El tratamiento del flujo multifásico se realiza mediante el enfoque Volume-of-Fluid (VOF). Además, se emplea el Homogeneous Relaxation Model (HRM) para considerar el intercambio de masa entre las fases líquida y vapor debido a cavitación y flash boiling. La turbulencia se ha tratado a partir de los enfoques Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) y Large Eddy Simulations (LES). Por otro lado, en cuanto al estudio del flujo externo, se ha adoptado el Discrete Droplet Model (DDM). La atomización y el chorro están influenciados por la geometría de la tobera, por lo que la estrategia de acoplamiento del flujo interno y externo complementa los análisis. Se han adoptado enfoques de acoplamiento unidireccional y mapeado, utilizando como parámetros de entrada los datos de flujo interno de la validada metodología. Esta Tesis aporta una nueva y valiosa metodología predictiva con una elevada precisión a la hora de caracterizar el proceso de inyección en comparativa con datos experimentales. Por otro lado, es directamente trasferible a distintos códigos de cálculo así como aplicable a inyectores con características dispares sin perjudicar las exigencias del modelo. La correcta caracterización del flujo interno ha permitido emplear los datos obtenidos para analizar el comportamiento del chorro eliminando la necesidad de usar datos experimentales. Los resultados obtenidos capturan el comportamiento macroscópico del chorro con una precisión comparable a los experimentos. Aunque todavía hay muchos retos que afrontar, la presente Tesis supone un gran avance en el campo del GDI. El remarcable progreso se debe al desarrollo y uso de una metodología totalmente predictiva, que permite prescindir de la mayoría de los experimentos para contribuir a una mayor y más amplia visión de la física del proceso de inyección. / [CA] La creixent preocupació pels problemes ambientals, la limitada disponibilitat de combustibles fòssils, acompanyat a la gran demanda de vehicles, ha portat el govern a regular els nivells d'emissions emesos a l'atmosfera. Existeixen propostes d'adoptar fonts d'energia renovables. Tanmateix, la substitució dels combustibles líquids derivats del petroli no es durà a terme de forma fàcil, ràpida o rentable, i el transport propulsat per motors de combustió interna (ICE) continuarà destacant en els pròxims anys. L'eficiència de la combustió i el rendiment del motor són fortament influenciats pel complex procés d'injecció. La injecció directa de gasolina (GDI) augmenta l'estalvi de combustible i complix amb els requisits d'emissions, encara que queda molt potencial per descobrir. Per això, aquest ha sigut objecte d'investigació en els últims anys i, com a conseqüència, d'aquesta Tesi. Aquest treball té com a motivació millorar l'enteniment en el camp del GDI. La complexa natura transitòria de la injecció fa que l'estudi experimental siga força complex. La Mecànica de Fluids Computacional (CFD) sorgeix com una potent alternativa als experiments, i ha sigut adoptada per aquesta investigació. Baix aquest mateix context, es proposa com a objectiu principal d'aquesta Tesi el desenvolupament d'una metodologia predictiva per a la caracterització hidràulica de l'injector, capaç de ser aplicada a les actuals i futures generacions d'injectors GDI (independentment de les característiques de l'injector i del software d'estudi). Una vegada validada, el posterior objectiu és analitzar el comportament de l'esprai. Aquest enfocament busca seguir els passos de la comunitat científica substituint la pràctica experimental. La validació de la metodologia ha sigut duta a terme mitjançant la seva aplicació en dos injectors GDI solenoides multi-orifici. A més, s'han utilitzat dos software CFD comercials: CONVERGE i StarCCM+. La metodologia predictiva se centra en l'estudi del flux intern i el camp proper per tal de caracteritzar hidràulicament l'injector. El problema a tractar es defineix en base a un sistema multi-fàsic en un marc Eulerià i considerant un únic fluid. El tractament del fluid multi-fàsic es realitza mitjançant l'aproximació Volume-of-Fluid (VOF). A més, s'utilitza el Homogeneous Relaxation Model (HRM) per tal de considerar l'intercambi de massa entre les fases líquida i vapor degut als fenòmens de cavitació i flash boiling. La turbulència s'ha tractac a través dels enfocaments Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) i Large Eddy Simulations (LES). Pel que fa a l'estudi del fluix extern, s'ha adoptat el Discrete Droplet Model (DDM). Sent conscients que el comportament l'atomització i l'esprai estan influenciats per la geometria de la tovera, l'estratègia d'acoblament del flux intern i extern complementa les anàlisis. S'han adoptat els enfocaments d'acoblament unidireccional i mapejat, utilitzant com a paràmetres d'entrada les dades del flux intern obtingudes amb la validada metodologia. Aquesta Tesi aporta una nova i valuosa metodologia predictiva amb una elevada precisió a l'hora de caracteritzar el procés d'injecció en comparativa amb dades experimentals. És directament transferible a diversos codis de càlcul així com aplicable a injectors amb característiques dispars sense perjudicar les exigències del model. La correcta caracterització del flux intern ha permès utilitzar les dades obtingudes per tal d'analitzar el comportament de l'esprai, eliminant la necessitat d'emprar dades experimentals. Els resultats obtinguts d'aquest estudi capturen el comportament macroscòpic de l'esprai amb una precisió comparable als experiments. Encara que queden molts reptes per afrontar, aquesta Tesi aporta un important avanç al camp del GDI. La ruptura prové del desenvolupament i ús d'una metodologia completament predictiva, que substitueix els experiments requerits i així contribueix a una millor i més ampla visió de la física del procés d'injecció. / [EN] Concerns about climate change, availability of fuel resources and the high demand for vehicles, have led governments to regulate the level of pollution emitted by engines into the atmosphere. There is a strong desire to adopt renewable and sustainable energy sources. However, the substitution of liquid fuels derived from petroleum will not emerge easily, quickly or economically, and Internal Combustion Engines (ICE) will continue to excel for the next few years. Combustion efficiency and engine performance are strongly influenced by the complex fuel injection process. Gasoline Direct Injection (GDI) strategies increase fuel economy and meet emission requirements, although many challenges remain, which has therefore been one of the main research objectives in recent years and of this Thesis. The present research aims to provide a better understanding in the field of GDI. The transient and complex nature of the injection process makes the experimental study of GDI quite challenging. Therefore, Computational Fluid Dynamics (CFD) emerges as a powerful alternative adopted for this research. In this context, the main objective of the present Thesis is to develop a predictive methodology capable of being applied to current and future generations of GDI injectors, regardless of the injector features and the software employed, for the hydraulic characterization of the injector. Once validated, the subsequent goal is to employ the obtained results to analyze the behavior of the spray downstream of the injector. The approach attempts to follow the footsteps of the research community to avoid experimental practice. The predictive methodology has been validated through its application to two multi-hole solenoid GDI injectors with different features. In addition, the mentioned methodology has been evaluated using diverse commercial software: CONVERGE and StarCCM+. The methodology focuses on the study of the internal and near-field flow to hydraulically characterize the injector. So the problem to be addressed is a multi-phase system, performed in an Eulerian framework, modeled through a single-fluid approach. The multi-phase flow is treated by means of the Volume-of-Fluid (VOF) approach. Homogeneous Relaxation Model (HRM) is employed to consider the mass exchange between liquid and vapor fuel phases, due to cavitation and flash boiling. The turbulence treatment has been performed from both Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) approaches. Regarding the external flow study, the Discrete Droplet Model (DDM) has been adopted. In addition, being aware that atomization and spray behavior is greatly influenced by the nozzle geometry, the coupling strategy of the internal and external flow complements the analyses. One-way coupling and mapping approaches have been adopted, using as input parameters the internal flow data obtained from the already validated methodology. Accordingly, this Thesis provides a new and valuable predictive methodology, which has demonstrated a high accuracy in characterizing the flow behavior during the injection process through comparison with experimental data. It has also proven to be directly transferable to different CFD software and applicable to injectors with dissimilar characteristics without compromising the requirements of the model. The correct internal flow characterization has made it possible to employ the obtained data to analyze the spray patterns, which eliminates the need to consider experimental data. The outcomes of this study macroscopically capture the jet behavior with an accuracy comparable to experiments under different operating conditions. Although there are still many challenges to face, the present Thesis brings a breakthrough in the field of GDI. The quantum leap arises from the development and use of a fully predictive methodology, allowing to avoid most experiments to contribute to a greater and broader vision of the injection process physics. / María Martínez García has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2018/118 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference BEFPI/2020/057 the research carried out during the stay at Aerothermochemistry and Combustion Systems Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich, Switzerland. Special gratitude from the author to both institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, for making this dream possible / Martínez García, M. (2022). Computational Study of the Injection Process in Gasoline Direct Injection (GDI) Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185180 / TESIS

[ES] En un presente marcado por la continua lucha contra la contaminación y el cambio climático, la investigación en mejoras tecnológicas que permitan una transición aceptable para la sociedad hacia un futuro más ecológico ocupa un papel fundamental. En concreto, la aviación es un foco constante de innovación, ya que es considerada una función indispensable en una sociedad tan globalizada como la actual, pero con unos niveles de contaminación preocupantes. En este aspecto, el desarrollo de motores con altas eficiencias es un paso clave para la transición medioambiental. Sin embargo, estas alternativas presentan un reto tecnológico en cuanto a su gestión térmica basado, principalmente, en la necesidad de aumentar la refrigeración. En este contexto e impulsada por el proyecto "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, esta tesis doctoral se centra en el estudio experimental de geometrías de intercambiadores de calor de superficie para la refrigeración del aceite motor mediante el uso del aire del flujo secundario del turbofan. Actualmente, existen una serie de limitaciones en cuanto a las capacidades para llevar a cabo un análisis y diseño detallado de este tipo de intercambiadores de calor debido a la falta de instalaciones que permitan un correcta, completa y robusta caracterización experimental. Las principales fuentes de datos se basan en cálculos numéricos validados a partir de extrapolaciones en condiciones de cuestionable aplicabilidad. A lo largo de la tesis se presentan los resultados obtenidos tras una detallada caracterización de cuatro diferentes geometrías de intercambiadores de calor empleando tanto técnicas intrusivas como ópticas. Se utiliza un banco de flujo capaz de generar una corriente de aire típica alrededor de los intercambiadores, mientras que un sistema de acondicionamiento de aceite controla el punto de operación por el lado caliente. Para recrear de manera más realista las condiciones de funcionamiento, se presenta una metodología para generar de manera automática pantallas de distorsión que pueden reproducir una distribución bidimensional de velocidades objetivo mediante la manufactura aditiva de paneles de porosidad variable. Este modelo, analizado mediante CFD y validado experimentalmente, se utiliza para reproducir el perfil de velocidades típico presente en torno al intercambiador en una circunstancia real de operación. Tras definir métricas relevantes que permitan analizar el comportamiento de las distintas geometrías, se llega a la conclusión de que los problemas aerodinámico y térmico están altamente acoplados en estos dispositivos, demostrando la necesidad de un cuidadoso diseño para mejorar las actuaciones del intercambiador. Los resultados muestran que puede llegar a obtenerse una mejora de más de un 12% en la caída de presión y casi un 20% en el intercambio de calor. Además, se ha confirmado el impacto del uso de la pantalla de distorsión, con variaciones del orden de 10% en ambas variables. Los resultados también muestran que es posible realizar una caracterización preliminar de manera fiable con un modelo impreso en 3D, en cuanto campos de velocidades, pérdidas de presión y frecuencias propias corregidas. Con el análisis llevado a cabo en esta tesis, se puede concluir que es fundamental tener una instalación experimental que reproduzca las condiciones de funcionamiento reales de un motor para realizar estudios relevantes de intercambiadores de calor. Además, es necesario el uso de métricas adecuadas junto con el desarrollo de una metodología exhaustiva, fiable y robusta. Los resultados y metodología presentados en en esta investigación pueden llegar a tener un impacto importante tanto a nivel académico como industrial, ya que abren la puerta a desarrollar sistemas de gestión térmica más eficiente en unas etapas de diseño preliminares que son más asequibles económicamente, consumen menos tiempo y tienen mayor flexibilidad para introducir modificaciones. / [CAT] En un present marcat per la lluita contínua contra la contaminació i el canvi climàtic, la recerca en millores tecnològiques que permetin una transició acceptable per a la societat cap a un futur més ecològic ocupa un paper fonamental. En concret, l'aviació és un focus constant d'innovació, ja que és considerada una funció indispensable en una societat tan globalitzada com l'actual però amb uns nivells de contaminació preocupants. En aquest aspecte, el desenvolupament de motors amb altes eficiències és un pas clau per a la transició mediambiental. Tot i això, aquestes alternatives presenten un repte tecnològic quant a la seva gestió tèrmica basat, principalment, en la necessitat d'augmentar la refrigeració. En aquest context i impulsada pel projecte "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi experimental de geometries d'intercanviadors de calor de superfície per a la refrigeració de l'oli motor mitjançant l'ús de l'aire del flux secundari del turbofan. Actualment, hi ha una sèrie de limitacions quant a les capacitats per dur a terme una anàlisi i disseny detallat d'aquest tipus d'intercanviadors de calor a causa de la manca d'instal·lacions que permetin una caracterització experimental correcta, completa i robusta. Les fonts de dades principals es basen en càlculs numèrics validats a partir d'extrapolacions en condicions de qüestionable aplicabilitat. Al llarg de la tesi es presenten els resultats obtinguts després d'una detallada caracterització de quatre geometries diferents d'intercanviadors de calor emprant tant tècniques intrusives com òptiques. Sutilitza un banc de flux capaç de generar un corrent daire típic al voltant dels intercanviadors, mentre que un sistema de condicionament doli controla el punt doperació pel costat calent. Per recrear de manera més realista les condicions de funcionament, es presenta una metodologia per generar de manera automàtica pantalles de distorsió que poden reproduir una distribució bidimensional de velocitats objectiu mitjançant la manufactura additiva de panells de porositat variable. Aquest model, analitzat mitjançant CFD i validat experimentalment, sutilitza per reproduir el perfil de velocitats típic present al voltant de lintercanviador en una circumstància real doperació. Després de definir mètriques rellevants que permetin analitzar el comportament de les diferents geometries, s'arriba a la conclusió que els problemes aerodinàmic i tèrmic estan altament acoblats en aquests dispositius, demostrant la necessitat d'un disseny acurat per millorar les actuacions de l'intercanviador. Els resultats mostren que es pot arribar a obtenir una millora de més d'un 12% a la caiguda de pressió i gairebé un 20% a l'intercanvi de calor. A més, s'ha confirmat l'impacte de l'ús de la pantalla de distorsió, amb variacions de l'ordre del 10% a les dues variables. Els resultats també mostren que és possible fer una caracterització preliminar de manera fiable amb un model imprès en 3D, en tant que camps de velocitats, pèrdues de pressió i freqüències pròpies corregides. Amb l'anàlisi duta a terme en aquesta tesi, es pot concloure que és fonamental tenir una instal·lació experimental que reprodueixi les condicions de funcionament reals d'un motor per fer estudis rellevants d'intercanviadors de calor. A més, cal fer servir mètriques adequades juntament amb el desenvolupament d'una metodologia exhaustiva, fiable i robusta. Els resultats i metodologia presentats en aquesta investigació poden arribar a tenir un impacte important tant a nivell acadèmic com industrial, ja que obren la porta a desenvolupar sistemes de gestió tèrmica més eficient en unes etapes de disseny preliminars que són més assequibles econòmicament, consumeixen menys temps i tenen més flexibilitat per introduir modificacions. / [EN] In a present marked by the continuous fight against pollution and climate change, research into technological improvements that allow an acceptable transition for society towards a greener future occupies a fundamental role. Specifically, aviation is a constant focus of innovation, since it is considered an essential function in a society as globalized as today's, but with worrying levels of pollution. In this regard, the development of motors with high efficiencies is a key step for the environmental transition. However, these alternatives present a technological challenge in terms of their thermal management, based mainly on the need to increase cooling. In this context and promoted by the Clean Sky 2 "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" project, this doctoral thesis focuses on the experimental study of surface heat exchanger geometries for engine oil cooling using the use of secondary flow air from the turbofan. Currently, there are a number of limitations regarding the capacity to carry out a detailed analysis and design of this type of heat exchanger due to the lack of facilities that allow a correct, complete and robust experimental characterization. The main data sources are based on numerical calculations validated from extrapolations under conditions of questionable applicability. The thesis presents results after a detailed characterization of four different geometries of heat exchangers using both intrusive and optical techniques. A flow bench capable of generating a typical air current around the exchangers is used, while an oil conditioning system controls the point of operation on the hot side. To more realistically recreate operating conditions, a methodology is presented to automatically generate distortion screens that can reproduce a two-dimensional distribution of target velocities through additive manufacturing of variable porosity panels. This model, analyzed by means of CFD and validated experimentally, is used to reproduce the typical speed profile present around the exchanger in a real operating circumstance. After defining relevant metrics that allow analyzing the behaviour of the different geometries, it is concluded that aerodynamic and thermal problems are highly coupled in these devices, demonstrating the need for careful design to improve the exchanger's performance. The results show that an improvement of more than 12% in pressure drop and almost 20% in heat exchange can be obtained. In addition, the impact of using the distortion screen has been confirmed, with variations of the order of 10% in both variables. The results also show that it is possible to carry out a preliminary characterization in a reliable way with a 3D printed model, in terms of velocity fields, pressure losses and corrected eigenfrequencies. With the analysis carried out in this thesis, it can be concluded that it is essential to have an experimental installation that reproduces the real operating conditions of an engine to carry out relevant studies of heat exchangers. In addition, the use of appropriate metrics is necessary together with the development of a comprehensive, reliable and robust methodology. The results and methodology presented in this research can have a significant impact both at an academic and industrial level, since they open the door to developing more efficient thermal management systems in preliminary design stages that are more affordable, consume less time and have more flexibility to make changes. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Univer- sitat Politècnica de València under grant PAID-01-20 n◦ 21589. This project has received funding from the Clean Sky 2 Joint Undertak- ing under the European Unions Horizon 2020 research and innovation pro- gramme under grant agreement No 831977 Aerodynamic upgrade of Sur- face Air-Cooled Oil Coolers (SACOC) / Felgueroso Rodríguez, A. (2023). Aerothermal Characterisation of Surface Heat Exchangers for Turbofans [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195852

[ES] La creciente preocupación sobre el efecto de la emisión de gases nocivos provenientes de motores de combustión interna alternativos (ICE) a la atmósfera ha llevado a los gobiernos a lo ancho del planeta a limitar la cantidad de dichas emisiones, particularmente en Europa a través de las normas EURO. La dificultad en cumplir dichas limitaciones ha llevado a la industria automovilística a cambiar el foco de motores de encendido por compresión (CI) o provocado (SI) hacia la electrificación o los combustibles libres de carbono. Sin embargo, esta transición no se puede llevar a cabo de manera sencilla en el corto y medio plazo, mientras que combustibles libres de carbono como el Hidrógeno (H2 ) o el Amoniaco (NH3 ) siguen produciendo algunos contaminantes como los Óxidos de Nitrógeno (NOx ), con los cuales hay que lidiar. Estas emisiones pueden ser particularmente dañinas para el ser humano ya que incrementan el riesgo de cáncer de pulmón. La Reducción Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrado ser una tecnología eficaz para la reducción de este contaminante en particular. A través de una inyección de una Solución de Urea-Agua, junto con la energía térmica de los gases de escape, se genera una cantidad suficiente de NH 3 capaz de neutralizar los indeseados NOx en un catalizador de reducción. Con la inclusión de los SCR en automóviles ligeros además de su presencia tradicional en automóviles pesados, los SCR han sido el foco de la comunidad científica para mejorar el entendimiento de su principio de actuación, y mejorar su eficiencia en un entorno legislativo en el que los limites de emisión se han estrechado enormemente. Esta Tesis intenta ser parte de ese esfuerzo científico en caracterizar el proceso de inyección de UWS en su totalidad a través de un entorno computacional. El presente estudio tiene como objetivo proveer de un mejor entendimiento del proceso de atomización y degradación sufrido por los chorros de UWS. Las dinámicas no estacionarias que se dan lugar en la zonas cercana del chorro, añadido a la gran influencia de las características internas del inyector sobre el desarrollo del spray hacen que los métodos experimentales sean complicados para poder entender dicho proceso. Por otro lado, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) presenta una alternativa. Para el propósito de esta Tesis, el CFD ha sido utilizado para caracterizar los sprays de SCR. Se intenta desarrollar y seleccionar los modelos más apropiados a chorros de baja velocidad, y establecer un conocimiento Una vez adquiridos dichos métodos, los mecanismos principales de rotura del chorro y de degradación de la urea se han analizan. En ese sentido, el uso de técnicas experimentales podrían ser sustituídos en el futuro para esta aplicación. Los métodos CFD son validados tanto en el campo cercano como en el lejano. Para el campo cercano, el tratamiento multi-fase se lleva a cabo a través de métodos de Modelo de Mezclas, o el método Volume-Of-Fluid. A través de ellos, la caracterización hidráulica de dos reconstrucciones del inyector de UWS se lleva a cabo. Subsiguientes análisis se llevan a cabo sobre las dinámicas de rotura de la vena líquida, descubriendo que mecanismos rigen el proceso. El estudio de campo lejano usa un Discrete Droplet Model (DDM) para lidiar con las fases líquidas y gaseosas. En él, la evaporación del agua y el proceso de termólisis de la urea han sido considerados y comparados con resultados experimentales con el fin de obtener una metodología fiel para su caracterización. Todo el conocimiento adquirido se aplica más tarde a un Close-Coupled SCR, en el cual condiciones de trabajo realista han sido consideradas. Además, una herramienta llamada Maximum Entropy Principle (MEP) es presentada. Por tanto, esta Tesis aporta una metodología valiosa capaz de predecir tanto el campo cercano como el lejano de chorros de UWS de una manera precisa. / [CA] La creixent preocupació sobre el efecte de l'emissió de gasos nocius provenients the motors de Combustió Interna Alternatius (ICE) a l'atmosfera ha dut als governs de tot el planeta a limitar la quantitat d'aquestes emisions, particularment a Europa mitjant les normes EURO. La dificultat de complir aquestes limitacions ha portat a l'industria automovilística a cambiar el focus de motors d'encedut per compresió (CI) o provocat (SI) cap a la electrificació o els combustibles lliures de carbó. No obstant això, aquesta transició no es pot dur a terme de manera senzilla , mentres que els combustibles lliures de carbó como l'Hidrogen (H2 ) o l'Amoniac (NH3 ) seguirien produint contaminants como els Óxids de Nitrogen (NOx ), amb els quals n'hi ha que bregar. Estes emissions poden ser particularment nocives per a l'esser humà ja que incrementen el risc de càncer de pulmó. La Reducció Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrat ser una tecnología eficaç per a la reducció d'este contaminant en particular. Mitjançant una injecció d'una Solució D'Urea i Aigua, junt a l'energía térmica dels gasos d'fuita, es pot generar una quantitat suficiente de NH 3 capaç de neutralitzar els indesitjats NO x a un catalitzador de reducció. Amb l'inclusió dels SCR en automòvils lleugers a més de la seua tradicional presència en automòvils pesats, els SCR han segut el foc per a mijorar l'enteniment del seu principi d'actuació, i mijorar la seua eficiencia. Este estudi té como a objectiu proveir d'un mijor entenement del procés d'atomizació y degradació patit pels dolls de UWS. Les dinàmiques no estacionaries que es donen lloc en la zona propenca al doll, afegit a la gran influència de les característiques internes del injector sobre el desentroll de l'esprai, fan que els métods experimentals siguen complicats d'aplicar per entendre dit procés. Per un altre costat, la Mecànica de Fluïts Computacional (CFD) supon una alternativa que té certes avantatges. Per al propòsit d'esta Tesi, el CFD ha sigut utilitzat com la principal metodología per a caracteritzar elsesprais de SCR. Per mitjà de dits métodes, la Tesi vol desentrollar i seleccionar els models més apropiats que mitjos s'adapten a sprays de baixa velocitat, i establir un coneiximent per a posteriors estudis desentrollats sobre la mateixa temàtica. Una volta adquirits dits métodes, els mecanismes principals de trencament del doll, així com els de degradació de l'urea en amoníac s'analitzaran. En aquest sentit, l'us de técniques experimentals podría no ser utilitzat més en el futur per aquesta aplicació.Els métods CFD son aplicats i validats tant el el camp propenc com en el llunyà. Per al camp propenc, el tractament multi-component es porta a terme a través de métodes Eulerians-Eulerians, com el Model de Mescles, o el métode Volume-Of-Fluid. La caracterització hidràulica de dos reconstruccions de l'injector es porta a terme, els resultats del qual són comparats amb resultats experimentals. Subsegüents anàlisis es porten a terme sobre les dinàmiques de trencament de la vena líquida, descobrint qué mecanismes regeixen el procés. L'estudi de camp llunyà usa un Discrete Droplet Model (DDM) per a bregar en la fase líquida i gaseosa. En ell, l'evaporació del aigua y el procés de termòlisis de l'urea han sigut considerats i comparats amb el resultats experimentals amb la finalitat d'obtindre una metodología fidel per a la seua caracterització. Tot el coneixement obtingut s'aplica més tard a un Close-Coupled SCR, en el qual condicions de treball realistes han sigut considerades. Dels resultats obtinguts dels distints estudis, una ferramenta adicional anomenada Maximum Entropy Principle (MEP),capaç de predir el fenomen d'atomització dels doll de UWS sense la necessitat de realitzar simulacions del camp propenc, es presentat. Per tant, esta Tesi aporta una metodología capaç de predir tant el camp proper como el llunyà d'una manera precisa. / [EN] The increasing awareness of the effect of emitting harmful gases from Internal Combustion Engines (ICE) into the atmosphere has driven the governments across the globe to limit the amount of these emissions, par ticularly in Europe through the EURO norms. The difficulty to meet such limitations has driven the automotive industry to shift from traditional Compression Ignited (CI) or Spark Ignited (SI) engines toward electrification or carbon-free fuels. Nonetheless, this transition will not be easily done in the short and medium time frames, while carbon-free fuels such as Hydrogen (H2 ) and Ammonia (NH3 ) will keep producing certain pollutants such as Nitrogen Oxides (NOx ) which need taking care of. These emissions can be particularly hazardous for humans, increasing the risk of developing lung cancer. Selective Catalytic Reduction (SCR) is an effective technology for reducing this specific ICE contaminant. An injection of a Urea-Water Solution (UWS), together with the thermal energy of the combustion gases can generate a sufficient amount of NH 3 capable of neutralizing the unwanted NO x in a catalyst. With the fitting of SCR systems within light-duty applications, in addition to their traditional presence on heavy-duty usage, SCR has been on the focus to understand their working principle and improve their efficiency . This Thesis tries to become part of that scientific ensemble by characterizing the whole UWS injection process within a computational framework. The present research aims to provide a better understanding of the atomizing and degradation processes undergone by the UWS sprays. The transient dynamics taking place in the near-field region, added to the great influence of the inner-injector characteristics on the development of the spray make experimental approaches on such sprays challenging in providing such knowledge. Computational Fluid Dynamics (CFD) provide an alternative that has certain advantages. For this Thesis they have been adopted as the main methodology on characterizing SCR sprays. The Thesis tries to develop and select the appropriate models that best suit low-velocity sprays. With the suitable methods that best predict these sprays, the main jet breakup mechanisms, together with the urea-to-ammonia transformation will have their behavior analyzed. In that way, experimental techniques could be avoided for such applications. CFD is applied and validated both in the near-field and far-field regions. For the near-field, multi-component flows are treated through Eulerian-Eulerian such as the Mixture Model or the Volume-Of-Fluid method. Through them, a hydraulic characterization on two recon structions of the UWS injector is performed, with results compared with experimental data. Further analysis is done on the jet-to-droplet dynamics, assessing which mechanisms drove the process. The far-field analy sis uses a Discrete Droplet Model (DDM) for dealing with the gas and liquid phases. In it, the evaporation of water and the thermolysis process of the urea have been considered and again compared with experimental results to have a faithful methodology for its characterization. All the acquired knowledge has been later applied to a commercial Close-Coupled SCR, in which real-working conditions have been considered. From the results obtained from several studies, an additional tool called Maximum Entropy Principle (MEP), capable of predicting the UWS spray atomization phenomenon without the need to perform near-field simulations, has been provided. Accordingly, this Thesis provides a valuable methodology capable of predicting the near-field and far-field dynamics accurately thanks to its validation against experimental results from literature. Additionally, the MEP tool can be used independently for computational and experimental works to predict the performance of UWS atomizers.The work carried out presents a significant leap in the application of CFD tools in predicting low-velocity sprays. / Javier Marco Gimeno has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2020/259 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and The European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference CIBEFP/2021/11 the research carried out during the stay at Energy Systems, Argonne National Laboratory, United States of America. / Marco Gimeno, J. (2023). Computational study of Formation and Development of Liquid Jets in Low Injection Pressure Conditions. Focus on urea-water solution injection for exhaust gas aftertreatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198699

[ES] La investigación realizada como parte de este doctorado industrial en COMET Ingeniería y la Universitat Politècnica de València aborda el problema crítico de las cargas vibroacústicas durante la fase de despegue de los lanzadores espaciales. Estas son una amenaza para la integridad de la carga de pago. El enfoque es mejorar el comportamiento vibroacústico de los vehículos de lanzamiento mediante el desarrollo de tecnologías de mitigación y una metodología de predicción numérica. Se han identificado dos fases: predecir la generación y propagación del ruido aeroacústico y diseñar sistemas de mitigación del ruido. El objetivo en la predicción aeroacústica es doble: abordar la predicción imprecisa de la carga acústica durante el lanzamiento y comprender los mecanismos que modifican el campo acústico. Las condiciones hostiles de este entorno limitan la medición del ruido emitido por un vehículo de lanzamiento. Por tanto, hemos propuesto un método numérico basado en las mismas ecuaciones para resolver la generación y propagación del ruido con CFD. La primera estrategia que proponemos es un modelo de URANS, que ofrece factibilidad computacional con la capacidad de calcular campos de flujo promediados en conjunto mientras retiene el término transitorio. La segunda estrategia es una LES, que proporciona mayor precisión en un código diseñado para una eficiente computación con GPU. El estudio simula el entorno acústico durante el lanzamiento de un cohete VEGA con ambas estrategias. Los modelos CFD se han validado utilizando datos de lanzamientos reales, demostrando su eficacia en predecir ondas de choque, flujo turbulento y propagación del campo acústico. El estudio también explora el impacto de los deflectores en las cargas acústicas, enfatizando la importancia de la elección y forma del deflector. Además del campo cercano del chorro del cohete, se estudia el campo de presión en la cofia como novedad en este trabajo. Para la mitigación del ruido, la investigación se centra en metamateriales acústicos basados en resonadores de Helmholtz. Esta solución puede proporcionar una absorción casi perfecta dentro de la gama de sub-longitudes de onda y es totalmente sintonizable. El enfoque propuesto se basa en dos etapas para reducir el campo acústico que ingresa a la cofia. En primer lugar, se reduce el ruido en el camino de propagación en la plataforma, lo que disminuye el ruido de banda ancha hacia la cofia. En segundo lugar, se aumenta la TL de la carcasa de la cofia, lo que reduce el SPL que ingresa, y se maximiza la absorción interna para atenuar la reverberación. Se han realizado tres diseños de metamateriales: RTA para la plataforma de lanzamiento, SRA para el carenado y CHAR para aplicaciones multifuncionales en el carenado. Campañas experimentales validan la eficacia de estos metamateriales en la reducción del ruido, con logros destacados en coeficientes de absorción y pérdida de transmisión. La combinación de RTA y SRA en el lanzador VEGA resulta en una reducción del OASPL de 7.8 dB. Además, el CHAR ha sido diseñado para incorporar resonadores de Helmholtz en la estructura compuesta tipo sándwich de la cofia, con el objetivo de mejorar tanto las propiedades estructurales como la absorción de energía acústica al tiempo que proporciona un material ligero. Se exploran dos tipos de núcleos, siendo el diseño hexagonal el más eficiente en términos de masa y rendimiento estructural. Los hallazgos presentan una técnica innovadora de dos etapas para disminuir las cargas acústicas que llegan al carenado durante el despegue, reduciendo el riesgo de fallas técnicas. La solución propuesta supera a los materiales existentes de reducción de ruido, ofreciendo opciones de diseño personalizables adaptadas a entornos acústicos específicos. Además, los metamateriales exhiben una capacidad única para una absorción casi perfecta en frecuencias específicas, mostrando su potencial para aplicaciones prácticas en la industria aeroespacial. / [CA] La investigació realitzada com a part d'este doctorat industrial en *COMET Enginyeria i la Universitat Politècnica de València aborda el problema crític de les càrregues *vibroacústicas durant la fase d'enlairament dels llançadors espacials. Estes són una amenaça per a la integritat de la càrrega de pagament. L'enfocament és millorar el comportament *vibroacústico dels vehicles de llançament mitjançant el desenvolupament de tecnologies de mitigació i una metodologia de predicció numèrica. S'han identificat dos fases: predir la generació i propagació del soroll *aeroacústico i dissenyar sistemes de mitigació del soroll. L'objectiu en la predicció *aeroacústica és doble: abordar la predicció imprecisa de la càrrega acústica durant el llançament i comprendre els mecanismes que modifiquen el camp acústic. Les condicions hostils d'este entorn limiten el mesurament del soroll emés per un vehicle de llançament. Per tant, hem proposat un mètode numèric basat en les mateixes equacions per a resoldre la generació i propagació del soroll amb *CFD. La primera estratègia que proposem és un model de *URANS, que oferix factibilitat computacional amb la capacitat de calcular camps de flux fets una mitjana d'en conjunt mentres reté el terme transitori. La segona estratègia és una ELS, que proporciona major precisió en un codi dissenyat per a una eficient computació amb *GPU. L'estudi simula l'entorn acústic durant el llançament d'un coet VEGA amb totes dues estratègies. Els models *CFD s'han validat utilitzant dades de llançaments reals, demostrant la seua eficàcia a predir ones de xoc, flux turbulent i propagació del camp acústic. L'estudi també explora l'impacte dels deflectors en les càrregues acústiques, emfatitzant la importància de l'elecció i forma del deflector. A més del camp pròxim del doll del coet, s'estudia el camp de pressió en la còfia com a novetat en este treball. Per a la mitigació del soroll, la investigació se centra en *metamateriales acústics basats en ressonadors de *Helmholtz. Esta solució pot proporcionar una absorció quasi perfecta dins de la gamma de *sub-longituds d'ona i és totalment sintonitzable. L'enfocament proposat es basa en dos etapes per a reduir el camp acústic que ingressa a la còfia. En primer lloc, es reduïx el soroll en el camí de propagació en la plataforma, la qual cosa disminuïx el soroll de banda ampla cap a la còfia. En segon lloc, s'augmenta la *TL de la carcassa de la còfia, la qual cosa reduïx el *SPL que ingressa, i es maximitza l'absorció interna per a atenuar la reverberació. S'han realitzat tres dissenys de *metamateriales: *RTA per a la plataforma de llançament, *SRA per al carenat i *CHAR per a aplicacions multifuncionals en el carenat. Campanyes experimentals validen l'eficàcia d'estos *metamateriales en la reducció del soroll, amb assoliments destacats en coeficients d'absorció i pèrdua de transmissió. La combinació de *RTA i *SRA en el llançador VEGA resulta en una reducció del *OASPL de 7.8 dB. A més, el *CHAR ha sigut dissenyat per a incorporar ressonadors de *Helmholtz en l'estructura composta tipus sàndwitx de la còfia, amb l'objectiu de millorar tant les propietats estructurals com l'absorció d'energia acústica al mateix temps que proporciona un material lleuger. S'exploren dos tipus de nuclis, sent el disseny hexagonal el més eficient en termes de massa i rendiment estructural. Les troballes presenten una tècnica innovadora de dos etapes per a disminuir les càrregues acústiques que arriben al carenat durant l'enlairament, reduint el risc de falles tècniques. La solució proposada supera als materials existents de reducció de soroll, oferint opcions de disseny personalitzables adaptades a entorns acústics específics. A més, els *metamateriales exhibixen una capacitat única per a una absorció quasi perfecta en freqüències específiques, mostrant el seu potencial per a aplicacions pràctiques en la indústria aeroespacial. / [EN] The research carried out as part of this industrial doctorate at COMET Ingeniería and the Universitat Politècnica de València addresses the critical problem of vibro-acoustic loads during the liftoff phase of space launchers. These are a threat to the integrity of the payload. The approach is to improve the vibroacoustic behaviour of launch vehicles by developing mitigation technologies and a numerical prediction methodology. Two phases have been identified: predicting the generation and propagation of aeroacoustic noise and designing noise mitigation systems. The objective in aeroacoustic prediction is twofold: to address the inaccurate prediction of the acoustic load during launch and to understand the mechanisms that modify the acoustic field. The hostile conditions of this environment limit the measurement of the noise emitted by a launch vehicle. Therefore, we have proposed a numerical method based on the same equations to solve the noise generation and propagation with CFD. The first strategy we propose is a URANS model, which offers computational feasibility with the ability to compute ensemble-averaged flow fields while retaining the transient term. The second strategy is an LES, which provides higher accuracy in a code designed for efficient GPU computing. The study simulates the acoustic environment during the launch of a VEGA rocket with both strategies. The CFD models have been validated using data from real launches, demonstrating their effectiveness in predicting shock waves, turbulent flow and acoustic field propagation. The study also explores the impact of baffles on acoustic loads, emphasising the importance of baffle choice and shape. In addition to the near-field of the rocket jet, the pressure field in the cowling is studied as a novelty in this work. For noise mitigation, the research focuses on acoustic metamaterials based on Helmholtz resonators. This solution can provide near-perfect absorption within the sub-wavelength range and is fully tunable. The proposed approach is based on two steps to reduce the acoustic field entering the coping. First, the noise in the propagation path on the platform is reduced, which decreases the broadband noise towards the coping. Secondly, the TL of the coping shell is increased, which reduces the incoming SPL, and internal absorption is maximised to attenuate reverberation. Three metamaterial designs have been realised: RTA for the launch pad, SRA for the fairing and CHAR for multifunctional applications in the fairing. Experimental campaigns validate the effectiveness of these metamaterials in noise reduction, with outstanding achievements in absorption coefficients and transmission loss. The combination of RTA and SRA in the VEGA launcher results in an OASPL reduction of 7.8 dB. In addition, CHAR has been designed to incorporate Helmholtz resonators into the sandwich composite structure of the shell, with the aim of improving both structural properties and acoustic energy absorption while providing a lightweight material. Two types of cores are explored, with the hexagonal design being the most efficient in terms of mass and structural performance. The findings present an innovative two-stage technique to decrease the acoustic loads reaching the fairing during take-off, reducing the risk of technical failure. The proposed solution outperforms existing noise reduction materials, offering customisable design options tailored to specific acoustic environments. In addition, the metamaterials exhibit a unique capability for near-perfect absorption at specific frequencies, showing their potential for practical applications in the aerospace industry. / Escartí Guillem, MS. (2024). Aeroacoustic Improvements during Lift-off of Launch Vehicles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204805

The path to future aero-engines with more efficient engine architectures requires advanced thermal management technologies to handle the demand of refrigeration and lubrication. Oil systems, holding a double function as lubricant and coolant circuits, require supplemental cooling sources to the conventional fuel based cooling systems as the current oil thermal capacity becomes saturated with future engine developments. The present research focuses on air/oil coolers, which geometrical characteristics and location are designed to minimize aerodynamic effects while maximizing the thermal exchange. The heat exchangers composed of parallel fins are integrated at the inner wall of the secondary duct of a turbofan. The analysis of the interaction between the three-dimensional high velocity bypass flow and the heat exchangers is essential to evaluate and optimize the aero-thermodynamic performances, and to provide data for engine modeling. The objectives of this research are the development of engine testing methods alternative to flight testing, and the characterization of the aerothermal behavior of different finned heat exchanger configurations. A new blow-down wind tunnel test facility was specifically designed to replicate the engine bypass flow in the region of the splitter. The annular sector type test section consists on a complex 3D geometry, as a result of three dimensional numerical flow simulations. The flow evolves over the splitter duplicated at real scale, guided by helicoidally shaped lateral walls. The development of measurement techniques for the present application involved the design of instrumentation, testing procedures and data reduction methods. Detailed studies were focused on multi-hole and fine wire thermocouple probes. Two types of test campaigns were performed dedicated to: flow measurements along the test section for different test configurations, i.e. in the absence of heat exchangers and in the presence of different heat exchanger geometries, and heat transfer measurements on the heat exchanger. As a result contours of flow velocity, angular distributions, total and static pressures, temperatures and turbulence intensities, at different bypass duct axial positions, as well as wall pressures along the test section, were obtained. The analysis of the flow development along the test section allowed the understanding of the different flow behaviors for each test configuration. Comparison of flow variables at each measurement plane permitted quantifying and contrasting the different flow disturbances. Detailed analyses of the flow downstream of the heat exchangers were assessed to characterize the flow in the fins¿ wake region. The aerodynamic performance of each heat exchanger configuration was evaluated in terms of non dimensional pressure losses. Fins convective heat transfer characteristics were derived from the infrared fin surface temperature measurements through a new methodology based on inverse heat transfer methods coupled with conductive heat flux models. The experimental characterization permitted to evaluate the cooling capacity of the investigated type of heat exchangers for the design operational conditions. Finally, the thermal efficiency of the heat exchanger at different points of the flight envelope during a typical commercial mission was estimated by extrapolating the convective properties of the flow to flight conditions. / Villafañe Roca, L. (2013). Experimental Aerothermal Performance of Turbofan Bypass Flow Heat Exchangers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34774 / TESIS

[ES] El principal desafío en los motores turbina de gas empleados en aviación reside en aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico manteniendo las emisiones contaminantes por debajo de las rigurosas restricciones. Ésto ha conllevado la necesidad de diseñar nuevas estrategias de inyección/combustión que operan en puntos de operación peligrosos por su cercanía al límite inferior de apagado de llama. En este contexto, el concepto Lean Direct Injection (LDI) ha emergido como una tecnología prometedora a la hora de reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos por las plantas propulsoras de los aviones de nueva generación. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivos contribuir al conocimiento de los mecanismos físicos que rigen el comportamiento de un quemador LDI y proporcionar herramientas de análisis para una profunda caracterización de las complejas estructuras de flujo de turbulento generadas en el interior de la cámara de combustión. Para ello, se ha desarrollado una metodología numérica basada en CFD capaz de modelar el flujo bifásico no reactivo en el interior de un quemador LDI académico mediante enfoques de turbulencia U-RANS y LES en un marco Euleriano-Lagrangiano. La resolución numérica de este problema multi-escala se aborda mediante la descripción completa del flujo a lo largo de todos los elementos que constituyen la maqueta experimental, incluyendo su paso por el swirler y entrada a la cámara de combustión. Ésto se lleva a cabo través de dos códigos CFD que involucran dos estrategias de mallado diferentes: una basada en algoritmos de generación y refinamiento automático de la malla (AMR) a través de CONVERGE y otra técnica de mallado estático más tradicional mediante OpenFOAM. Por un lado, se ha definido una metodología para obtener una estrategia de mallado óptima mediante el uso del AMR y se han explotado sus beneficios frente a los enfoques tradicionales de malla estática. De esta forma, se ha demostrado que la aplicabilidad de las herramientas de control de malla disponibles en CONVERGE como el refinamiento fijo (fixed embedding) y el AMR son una opción muy interesante para afrontar este tipo de problemas multi-escala. Los resultados destacan una optimización del uso de los recursos computacionales y una mayor precisión en las simulaciones realizadas con la metodología presentada. Por otro lado, el uso de herramientas CFD se ha combinado con la aplicación de técnicas de descomposición modal avanzadas (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificación numérica de los principales modos acústicos en la cámara de combustión ha demostrado el potencial de estas herramientas al permitir caracterizar las estructuras de flujo coherentes generadas como consecuencia de la rotura de los vórtices (VBB) y de los chorros fuertemente torbellinados presentes en el quemador LDI. Además, la implementación de estos procedimientos matemáticos ha permitido tanto recuperar información sobre las características de la dinámica de flujo como proporcionar un enfoque sistemático para identificar los principales mecanismos que sustentan las inestabilidades en la cámara de combustión. Finalmente, la metodología validada ha sido explotada a través de un Diseño de Experimentos (DoE) para cuantificar la influencia de los factores críticos de diseño en el flujo no reactivo. De esta manera, se ha evaluado la contribución individual de algunos parámetros funcionales (el número de palas del swirler, el ángulo de dichas palas, el ancho de la cámara de combustión y la posición axial del orificio del inyector) en los patrones del campo fluido, la distribución del tamaño de gotas del combustible líquido y la aparición de inestabilidades en la cámara de combustión a través de una matriz ortogonal L9 de Taguchi. Este estudio estadístico supone un punto de partida para posteriores estudios de inyección, atomización y combus / [CA] El principal desafiament als motors turbina de gas utilitzats a la aviació resideix en augmentar l'eficiència del cicle termodinàmic mantenint les emissions contaminants per davall de les rigoroses restriccions. Aquest fet comporta la necessitat de dissenyar noves estratègies d'injecció/combustió que radiquen en punts d'operació perillosos per la seva aproximació al límit inferior d'apagat de flama. En aquest context, el concepte Lean Direct Injection (LDI) sorgeix com a eina innovadora a l'hora de reduir els òxids de nitrogen (NOx) emesos per les plantes propulsores dels avions de nova generació. Sota aquest context, aquesta tesis té com a objectius contribuir al coneixement dels mecanismes físics que regeixen el comportament d'un cremador LDI i proporcionar ferramentes d'anàlisi per a una profunda caracterització de les complexes estructures de flux turbulent generades a l'interior de la càmera de combustió. Per tal de dur-ho a terme s'ha desenvolupat una metodología numèrica basada en CFD capaç de modelar el flux bifàsic no reactiu a l'interior d'un cremador LDI acadèmic mitjançant els enfocaments de turbulència U-RANS i LES en un marc Eulerià-Lagrangià. La resolució numèrica d'aquest problema multiescala s'aborda mitjançant la resolució completa del flux al llarg de tots els elements que constitueixen la maqueta experimental, incloent el seu pas pel swirler i l'entrada a la càmera de combustió. Açò es duu a terme a través de dos codis CFD que involucren estratègies de mallat diferents: una basada en la generación automàtica de la malla i en l'algoritme de refinament adaptatiu (AMR) amb CONVERGE i l'altra que es basa en una tècnica de mallat estàtic més tradicional amb OpenFOAM. D'una banda, s'ha definit una metodologia per tal d'obtindre una estrategia de mallat òptima mitjançant l'ús de l'AMR i s'han explotat els seus beneficis front als enfocaments tradicionals de malla estàtica. D'aquesta forma, s'ha demostrat que l'aplicabilitat de les ferramente de control de malla disponibles en CONVERGE com el refinament fixe (fixed embedding) i l'AMR són una opció molt interessant per tal d'afrontar aquest tipus de problemes multiescala. Els resultats destaquen una optimització de l'ús dels recursos computacionals i una major precisió en les simulacions realitzades amb la metodologia presentada. D'altra banda, l'ús d'eines CFD s'ha combinat amb l'aplicació de tècniques de descomposició modal avançades (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificació numèrica dels principals modes acústics a la càmera de combustió ha demostrat el potencial d'aquestes ferramentes al permetre caracteritzar les estructures de flux coherents generades com a conseqüència del trencament dels vòrtex (VBB) i dels raigs fortament arremolinats presents al cremador LDI. A més, la implantació d'estos procediments matemàtics ha permès recuperar informació sobre les característiques de la dinàmica del flux i proporcionar un enfocament sistemàtic per tal d'identificar els principals mecanismes que sustenten les inestabilitats a la càmera de combustió. Finalment, la metodologia validada ha sigut explotada a traves d'un Diseny d'Experiments (DoE) per tal de quantificar la influència dels factors crítics de disseny en el flux no reactiu. D'aquesta manera, s'ha avaluat la contribución individual d'alguns paràmetres funcionals (el nombre de pales del swirler, l'angle de les pales, l'amplada de la càmera de combustió i la posició axial de l'orifici de l'injector) en els patrons del camp fluid, la distribució de la mida de gotes del combustible líquid i l'aparició d'inestabilitats en la càmera de combustió mitjançant una matriu ortogonal L9 de Taguchi. Aquest estudi estadístic és un bon punt de partida per a futurs estudis de injecció, atomització i combustió en cremadors LDI. / [EN] Aeronautical gas turbine engines present the main challenge of increasing the efficiency of the cycle while keeping the pollutant emissions below stringent restrictions. This has led to the design of new injection-combustion strategies working on more risky and problematic operating points such as those close to the lean extinction limit. In this context, the Lean Direct Injection (LDI) concept has emerged as a promising technology to reduce oxides of nitrogen (NOx) for next-generation aircraft power plants In this context, this thesis aims at contributing to the knowledge of the governing physical mechanisms within an LDI burner and to provide analysis tools for a deep characterisation of such complex flows. In order to do so, a numerical CFD methodology capable of reliably modelling the 2-phase nonreacting flow in an academic LDI burner has been developed in an Eulerian-Lagrangian framework, using the U-RANS and LES turbulence approaches. The LDI combustor taken as a reference to carry out the investigation is the laboratory-scale swirled-stabilised CORIA Spray Burner. The multi-scale problem is addressed by solving the complete inlet flow path through the swirl vanes and the combustor through two different CFD codes involving two different meshing strategies: an automatic mesh generation with adaptive mesh refinement (AMR) algorithm through CONVERGE and a more traditional static meshing technique in OpenFOAM. On the one hand, a methodology to obtain an optimal mesh strategy using AMR has been defined, and its benefits against traditional fixed mesh approaches have been exploited. In this way, the applicability of grid control tools available in CONVERGE such as fixed embedding and AMR has been demonstrated to be an interesting option to face this type of multi-scale problem. The results highlight an optimisation of the use of the computational resources and better accuracy in the simulations carried out with the presented methodology. On the other hand, the use of CFD tools has been combined with the application of systematic advanced modal decomposition techniques (i.e., Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). The numerical identification of the main acoustic modes in the chamber have proved their potential when studying the characteristics of the most powerful coherent flow structures of strongly swirled jets in a LDI burner undergoing vortex breakdown (VBB). Besides, the implementation of these mathematical procedures has allowed both retrieving information about the flow dynamics features and providing a systematic approach to identify the main mechanisms that sustain instabilities in the combustor. Last, this analysis has also allowed identifying some key features of swirl spray systems such as the complex pulsating, intermittent and cyclical spatial patterns related to the Precessing Vortex Core (PVC). Finally, the validated methodology is exploited through a Design of Experiments (DoE) to quantify the influence of critical design factors on the non-reacting flow. In this way, the individual contribution of some functional parameters (namely the number of swirler vanes, the swirler vane angle, the combustion chamber width and the axial position of the nozzle tip) into both the flow field pattern, the spray size distribution and the occurrence of instabilities in the combustion chamber are evaluated throughout a Taguchi's orthogonal array L9. Such a statistical study has supposed a good starting point for subsequent studies of injection, atomisation and combustion on LDI burners. / Belmar Gil, M. (2020). Computational study on the non-reacting flow in Lean Direct Injection gas turbine combustors through Eulerian-Lagrangian Large-Eddy Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159882 / TESIS