A simulação computacional de membranas biológicas, em particular membranas formadas por bicamadas lipídicas, é uma área de grande interesse na atualidade. Enquanto simulações moleculares são bastante populares, a simulação na escala de uma célula inteira requer modelos baseados na mecânica dos meios contínuos. Essas membranas apresentam um comportamento de fluido viscoso incompressível bidimensional. Além disso, as formas de equilíbrio são bem explicadas pela energia de Canham-Helfrich, que depende da curvatura da membrana. Neste trabalho, um novo método de simulação de membranas viscosas, baseado em elementos finitos, é apresentado. Ele se inspira no conceito de James Clerk Maxwell de elasticidade fugaz, o qual é usado para adaptar técnicas bem estabelecidas de simulação de membranas elásticas. Trata-se do primeiro método a levar em conta, de maneira rigorosa, o aspecto viscoso da membrana, que é dominante na escala de tamanho de uma célula biológica, além da sua característica de fluido incompressível / The computational simulation of biological membranes, in particular of those made of lipid bilayers, is currently an area of great interest. While molecular simulations are quite popular, the simulation on the scale of a whole cell requires models based on continuum mechanics. Those membranes behave like a bidimensional incompressible viscous fluid. Furthermore, the equilibrium shapes are well explained by means of the Canham-Helfrich energy, which depends on the curvature of the membrane. In this work, a novel finite element based method for the simulation of viscous membranes is presented. It is inspired by James Clerk Maxwells concept of fugitive elasticity, which is used to adapt well established simulation techniques for elastic membranes. This is the first method to take into account, in a rigorous fashion, the viscous aspect of the membrane, which is dominant at the length scale of a biological cell, in addition to its characteristics as an incompressible fluid

No description available.

Despite the increasing popularity of high-order methods in computational fluid dynamics, their application to practical problems still remains challenging. In order to exploit the advantages of high-order methods with geometrically complex computational domains, coarse curved meshes are necessary, i.e. high-order representations of the geometry. This dissertation presents a strategy for the generation of curved high-order surface meshes. The mesh generation method combines least-squares fitting with energy functionals, which approximate physical bending and stretching energies, in an incremental energy-minimizing fitting strategy. Since the energy weighting is reduced in each increment, the resulting surface representation features high accuracy. Nevertheless, the beneficial influence of the energy-minimization is retained. The presented method aims at enabling the utilization of the superior convergence properties of high-order methods by facilitating the construction of coarser meshes, while ensuring accuracy by allowing an arbitrary choice of geometric approximation order. Results show surface meshes of remarkable quality, even for very coarse meshes representing complex domains, e.g. blood vessels.

The efficient study of liquid droplets ranging from micrometers to a few centimeters by levitation is usually hindered by conventional design limitations. This is due to continuous droplet deformation in the test section. This research discusses the development of a robust design methodology for large droplet-stabilization (d > Capillary Number (Ca)) vertical wind tunnels. A modeling and simulation design environment has been developed that involves component sizing and integration at a central ANSYS-Fluent platform, followed by design optimization. The work inculcates numerical analysis of guide vanes to minimize the viscous losses and, subsequently, the wind tunnel dimensions. The process is followed by the design of honeycomb and wire screens and their analyses for a given geometry. A multi-variable design optimization problem has been optimized with response surface approximations. Statistical modeling of the expensive functions obtained from the solution of Navier-stokes equations has been accomplished in order to deal with non-linear and discontinuous behavior. Numerical optimization of the meta-model can help to find the most feasible wind tunnel design with computational efficiency. A non-conventional design with varying test area cross-sections has been introduced to investigate the droplet stability in constantly changing velocity profiles. Longitudinal as well as lateral velocity variations in the test section, creating velocity buckets with minimum turbulence intensity, has been introduced and analyzed using novel concept designs. The research highlights a systematic design methodology and an alternate configuration for liquid droplet wind tunnels while focusing on stable droplet levitation.

Wenn auf dem Foto oben der Westwind Zephyr und in seinen Armen die Morgenbrise Aura nicht Venus an die Gestaden Zyperns treibt, sondern stattdessen den Geburtstagskuchen ausbläst , dann ist sein Atem das, was in der Strömungsmechanik als „laminare Strömung“ bezeichnet wird. Eine Strömung, deren Stromlinien parallel zueinander verlaufen und deren Einzelelemente, hier die Luftmoleküle, einen gleichgerichteten Weg verfolgen. „Turbulent“ ist hingegen der von den Kerzen aufsteigende Rauch über dem Kuchen, der „Richtung Osten“ hinweggeblasen wird. Diese Turbulenz von Flüssigkeiten und Gasen ist allgegenwärtig in unserer Welt, ob für unser Auge direkt sichtbar oder unsichtbar: die Luft, die tief in unsere Lunge eingesogen wird bis hin zu den Lungenbläschen, die Spuren der Milch beim Umrühren in einer Kaffeetasse, der Rauch, der von einem Schornstein aufsteigt, das Wasser rund um die großen und kleinen Kiesel in einem Bach, der Wind, der den Kirchturm und die Hausecke umwirbelt, das heiße Plasma, das in Feuerfackeln von der Sonnenoberfläche ins Weltall hinauslodert, oder die großen Wolken kosmischen Staubs, die sich in Strudeln und Wirbeln zu Galaxien oder Sternen verdichten. „Turbulent“ ist also eine Strömung, deren Stromlinien sich zu überkreuzen scheinen und deren Einzelelemente keinen gleichgerichteten Weg verfolgen. Stattdessen existieren vielfältigste Formen und Muster von miteinander verschränkten Wirbeln auf allen Größenskalen. Aufgrund dieser Komplexität in Formen und Skalen gehört die Beschreibung und Vorhersage von Turbulenz schon seit Jahrhunderten zu den großen Rätseln in Physik und Mathematik. Da turbulente Strömungen gleichwohl derart zentral sind für viele Bereiche menschlichen Lebens und Handelns, werden Grundlagen- und Anwendungsforschung mit Nachdruck vorangetrieben. Die vorliegende Arbeit umfaßt gleich drei Anwendungsfälle von Turbulenzforschung, und es darf als bezeichnend für die Allgegenwart der Turbulenz angesehen werden, daß sich diese drei Anwendungen in solch unterschiedlichen Größenskalen abspielen. Die Windabkühlung von Rindern, die bis in den Sub-Millimeter-Maßstab im Bereich von Fell und Hautoberfläche hinein betrachtet werden muß, die Sturmge-fährdung von Wäldern, für die Größen zwischen einem halben Meter an den Bäumen und mehreren Kilometern in der Landschaft relevant sind, und zu guter Letzt das turbulente Geschehen in kos-mischen Gaswolken und Galaxienhaufen, das sich im Größenbereich von vielen Millionen Lichtjahren abspielt. Nicht nur in den Techniken der Modellierung, sondern auch in der physikalischen Wirklich-keit sind diese Phänomene trotz der gewaltigen Größenunterschiede eng verwandt. In diesem Sinne: vom Kosmos zur Kuh.

L’objectif de ce travail consiste à développer la méthode de résolution PGD (Proper Generalized Decomposition), qui est une méthode de réduction de modèle où la solution est recherchée sous forme séparée, à la résolution des équations de Navier-Stokes. Dans un premier temps, cette méthode est appliquée à la résolution d’équations modèles disposant d’une solution analytique. L’ équation de diffusion stationnaire 2D et 3D, l’équation de diffusion instationnaire 2D et les équations de Burgers et Stokes sont traitées. Nous montrons que dans tous ces cas la méthode PGD permet de retrouver les solutions analytiques avec une précision équivalente au modèle standard. Nous mettons également en évidence la supériorité de la PGD par rapport au modèle standard en terme de temps de calcul. En effet, dans tous ces cas, laPGD se montre beaucoup plus rapide que le solveur standard (plusieurs dizaine de fois). La résolution des équations de Navier-Stokes isothermes et anisothermes est ensuite effectuée par une discrétisation volumes finis sur un maillage décalé où le couplage vitesse-pression a été géré à l’aide d’un schéma de prédiction-correction. Dans ce cas une décomposition PGD sur les variables d’espaces uniquement a été choisie. Pour les écoulements incompressibles 2D stationnaire ou instationnaire, de type cavité entrainée et/ou différentiellement chauffé, les résultats obtenus par résolution PGD sont similaires à ceux du solveur standard avec un gain de temps significatif (la PGD est une dizaine de fois plus rapide que le solveur standard). Enfin ce travail introduit une première approche de la résolution des équations de transferts par méthode PGD en formulation spectrale. Sur les différents problèmes traités, à savoir l’équation de diffusion stationnaire, l’équation de Darcy et les équations de Navier-Sokes, la PGD a montré une précision aussi bonne que le solveur standard. Un gain de temps a été observé pour le cas de l’équation de Poisson, par contre, concernant le problème de Darcy ou les équations de Navier-Stokes les performances de la PGD en terme de temps de calcul peuvent encore être améliorées. / Motivated by solving the Navier-Stokes equations, this work presents the implementation and development of a reduced order model, the PGD (Proper Generalized Decomposition).Firstly, this method is applied to solving equations models with an analytical solution. The stationary diffusion equation 2D and 3D, 2D unsteady diffusion equation and Burgers equations and Stokes are processed. We show that in all these cases, the PGD method allows to find analytical solutions with a good accuracy compared to the standard model. We also demonstrate the superiority of the PGD relative to the standard model in terms of computing time. Indeed, in all these cases, PGD was much more rapid than the standard solver (several dozen times). The Navier-Stokes 2D and 3D thermal and isothermal isotherms are then processed by a finite volume discretization on a staggered grid where the velocity-pressure coupling was handled using a prediction-correction scheme. In this case a decomposition of the space variables only was chosen. The results in 2D for Reynolds numbers equal to 100, 1000and 10, 000 are similar to those of the solver standard with a significant time saving (PGD isten times faster than the solver standard). Finally, this work introduces a first approach tosolving the Navier-Stokes equations with a spectral method coupled with the PGD. Different cases were dealed, the stationary diffusion equation, the Darcy equation and the Navier-Sokesequations. PGD showed a good accuracy compared with the standard solver. Saving time was observed for the case of the Poisson equation, on the other hand, about Darcy’s problem or Navier-Stokes’ equations, performance of the PGD in terms of computing time may yet be improved.

La modélisation des phénomènes de brisure de gouttes lors d’opérations d’émulsification par bilan de population (PBE), a pour but de suivre l’évolution de la distribution des tailles de gouttes (DSD). Ceci a fait l’objet d’un grand nombre d’études au cours des deux dernières décennies. Une approche multiéchelle, couplant la modélisation des phénomènes de brisure à l’échelle d’une goutte avec les phénomènes agissant à l’échelle du champ d’écoulement est nécessaire pour simuler correctement les procédés d’ émulsification dans des géométries complexes tels que des mélangeurs statiques ou des homogénéisateurs à haute pression. Une telle approche est présentée dans cette thèse par l’emploi d’un couplage entre PBE et mécanique des fluides numériques (CFD). Trois types de procédés d’émulsification huile dans l’eau ont été étudiés : une cuve agitée de deux litres,équipée avec d’une hélice Mixel-TT générant un écoulement axial de la phase continue, pour deux systèmes modèles : Di-Stereate d’éthylène Glycol (EGDS) dans l’eau d’une part, huiles silicones de différentes viscosités d’autre part. Un montage expérimental sur mesure a été conçu pour l’émulsification d’huiles silicones dans eau basé sur l’emploi de mélangeurs statiques de type SMX+. Des expériences d’émulsification des huiles végétales de qualité alimentaire dans un homogénéisateur à haute pression (HPH) ont été réalisées dans le laboratoires d’UNILEVER R&D à Vlaardingen, Pays-Bas. Deux techniques d’analyse granulométrique in-situ ont été comparées aux résultats obtenus par la technique ex situ de diffraction laser : une sonde vidéo avec traitement automatisé d’images (basé sur la transforméecirculaire de Hough), et une sonde de réflectance laser « Focused Beam Reflectance Measurement »(FBRM), qui mesure la distribution de cordes (CLD). Les sondes ont été introduites dans la cuve agitée et une cellule de mesure a été conçue spécialement pour implanter en-ligne la sonde video et mesurer ainsi la DSD en amont et en aval des mélangeurs statiques. La technique FBRM n’a pas permis de détecter les plus grosses gouttes et la transformation de la CLD en DSD donnait une sous-estimation de la taille des gouttes. Cette méthode n’est par conséquent pas adaptée à l’analyse granulométrique des gouttes transparentes, telles que les huiles silicones. Par contre, la détection des gouttes sur les images prises par la sonde vidéo, permet de produire des mesures fiables de la DSD pour des concentration dephase dispersée faible (≤ 10 %). L’algorithme de détection a été amélioré pour être capable de mesurerla DSD des émulsions avec 10 – 20 % de phase dispersée. La partie modélisation de cette thèse se compose premièrement de l’élaboration d’un nouveau modèlede brisure qui est capables de représenter l’effet de la viscosité de la phase dispersée. Ce modèle est une amélioration du modèle phénoménologique proposé par Luo & Svendsen (1996). Deuxièmement le couplage entre des PBE discrétisées par volumes finis avec la CFD en régime turbulent a été réalisé, dans le code open-source OpenFOAM (OpenCFD). / The modelling of breakage phenomena with the goal to simulate the evolution of drop size distributions(DSDs) in turbulent emulsification by Population Balance Equation (PBE) modeling has been an activearea of research over the last decade. A multi-scale approach, combining the breakage phenomena on the droplet scale with the larger scale flow-field characteristics is necessary to accurately simulate emulsification in complex geometries such as High-Pressure homogenizers and static mixers. Emulsifications were performed for Ethylene Glycol Di-Stearate-in-water and Silicone oil-in-water systemsin a stirred tank reactor, using an axial-flow Mixel-TT impeller, as well as SMX+ (Sulzer) static mixers for the silicone oil system at the LAGEP, Lyon, France. Emulsifications of food-grade vegetableoils in a High-pressure Homogenizer were performed at UNILEVER R&D, Vlaardingen, Netherlands. Two in-situ DSD measurement techniques were compared to results obtained form laser diffraction measurements of samples. Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM), which generates achord length distribution was found give an under-prediction of the DSD and failed to detect the largerdroplets of the transparent silicone oils. This technique, while providing a continuous, in situ measurement of the DSD is not reliable for measuring transparent droplets. An in situ video probe with off-line droplet detection via Hough transform, developed at LAGEP, was found to give reliable and traceable DSD measurements for dilute emulsions. The image detection algorithm was improved to be capable of measuring droplets in emulsions with 10 – 20 % dispersed phase hold-up fraction.The modelling part of this thesis consists of the development of a framework for the coupling of PBEand CFD modelling, as well as a significant improvement to the well-known Luo & Svendsen (1996)breakage model. Different breakage models were compared for their applicability to emulsification ofEthylene Glycol di-Stereate (EGDS) and silicone oil in water emulsions in a 2-L stirred tank reactor. This analysis revealed the need for a phenomenological breakage model which does not rely on system dependent parameters and is able to accurately take the dispersed phase viscosity effects into account.Such a model was proposed, based on the Han et al. (2011) to the Luo & Svendsen (1996) framework. A dispersed phase viscosity term was added to the surface energy opposing breakage. This was validated by experimental data from emulsification of silicone oils with varying viscosities (20, 50, 100, 350 mPa.s). The new model was found to provide better predictions than the Alopaeus et al. (2002) and Vankova etal. ( 2007) breakage models, without the need for empirically determined parameters. The one-way coupling of CFD and PBE modelling was implemented in the open-source finite volumes software package OpenFOAM. This was applied to emulsification of vegetable oils with varying viscosities(25, 50, 100 mPa.s) in a Niro-soave bench-scale HPH. The new model was found to deliver good predictions for the drop size distribution after three consecutive passes through the HPH valve at the three different viscosities and varying pressure drops (200, 400, 600 bar).

[ES] Los sistemas de refrigeración por eyección activados por calor de origen renovable o fuentes de calor residual tienen el potencial de alcanzar ahorros energéticos significativos al sustituir o asistir a los sistemas de refrigeración tradicionales. Su campo de aplicabilidad es muy amplio y el presente trabajo se ha centrado en un estudio detallado de dos aplicaciones con gran potencial siguiendo un enfoque computacional: (i) generación de aire acondicionado activado por energía solar térmica y (ii) refrigeración de la admisión de un motor de combustión reutilizando la energía térmica disponible en la línea de escape de este. Las actividades de investigación han estado dirigidas a mitigar dos de los principales puntos débiles que caracterizan a los ciclos de refrigeración por eyección: su eficiencia relativamente baja y la incapacidad mostrada por la configuración base del ciclo de eyección para operar de forma robusta en condiciones de operación alejadas de las de diseño. La primera cuestión ha sido abordada principalmente diseñando geometrías de eyector altamente optimizadas usando técnicas de mecánica de fluidos computacional y optimizando la integración del eyector en el conjunto del sistema de refrigeración. La segunda cuestión se ha abordado caracterizando el comportamiento del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño. Se han propuesto dos estrategias avanzadas para hacer frente a la caída de prestaciones que sufre el sistema al operar en condiciones fuera de diseño, como son la utilización de eyectores de geometría ajustable o la implementación de tanques de almacenamiento térmico. La respuesta del sistema se ha analizado en condiciones fuera de diseño con dos aproximaciones temporales complementarias. Los modelos estacionarios se han usado para optimizar las diferentes arquitecturas de eyector y la operación global del sistema en ciertas condiciones de operación representativas, mientras que el análisis transitorio representa un enfoque más realista y tiene en cuenta la naturaleza impredecible e inestable de la climatología. El estudio se ha concluido con un análisis termoeconómico, el cual ha sido útil para discernir si los diseños altamente optimizados son competitivos al ser comparados con las soluciones de refrigeración que se encuentran actualmente consolidadas en el mercado. La principal conclusión del análisis en condiciones estáticas para la aplicación termosolar es que la transformación de potencia térmica a potencia de refrigeración puede alcanzar un rendimiento del 37.7%, mientras que el rendimiento global del sistema alcanza el 20.1% con diseños altamente optimizados de eyector para unas condiciones de evaporación y condensación de 13°C y 40°C, respectivamente. En condiciones dinámicas, la implementación de la geometría variable mejora en torno a un 40% el rendimiento del sistema de refrigeración, además de incrementar su operatividad. El tanque de almacenamiento térmico juega un papel relevante en este aspecto y, para una envergadura de colector parabólico de 7.1 m, un consumo nominal de 13.3 kW de potencia térmica del tanque ha resultado ser una solución de compromiso para mantener en equilibrio los principales indicadores de prestaciones. El análisis termoeconómico de la arquitectura más prometedora sugiere que el ahorro de coste operativo está lejos de poder compensar la elevada inversión inicial en equipamiento (16.905€ para una capacidad de refrigeración aproximada de 5.6 kW), destacando la dificultad del sistema para competir con las soluciones de refrigeración actualmente consolidadas en el mercado y resaltando la necesidad de considerar soluciones híbridas. La principal conclusión de la aplicación en motor de combustión es que la reducción de temperaturas en la línea de admisión por debajo de 4°C es factible, produciendo mejoras en el rendimiento volumétrico de en torno al 11%, no obstante, el sistema muestra vulnerabilidades al operar en puntos de motor diferentes al de diseño. / [CA] Els sistemes de refrigeració per ejecció activats per calor d'origen renovable o fonts de calor residual tenen el potencial d'assolir estalvis energètics significatius al substituir o assistir als sistemes de refrigeració tradicionals. El seu camp d'aplicabilitat es ampli i el present treball s'ha centrat en un estudi detallat de dos aplicacions amb gran potencial seguint un enfocament computacional: (i) generació d'aire condicionat activat per energia solar tèrmica i (ii) refrigeració de l'admissió d'un motor de combustió reutilitzant l'energia tèrmica disponible en la línia d'escapament d'aquest. Les activitats d'investigació han estat dirigides a mitigar dos dels principals punts dèbils que caracteritzen als cicles de refrigeració per ejecció: la seua eficiència relativament baixa i la incapacitat mostrada per la configuració base del cicle d'ejecció per a operar de forma robusta en condicions d'operació allunyades de les de disseny. La primera qüestió ha sigut abordada principalment dissenyant geometries d'ejector altament optimitzades usant tècniques de mecànica de fluids computacional i optimitzant la integració de l'ejector en el conjunt del sistema de refrigeració. La segona qüestió s'ha abordat caracteritzant el comportament del sistema en condicions de disseny i fora de disseny. S'han proposat dos estratègies avançades per a fer front a la caiguda de prestacions que pateix el sistema quan opera en condicions fora de disseny, com són la utilització d'ejectors de geometria ajustable o la implementació de tancs de emmagatzemament tèrmic. La resposta del sistema s'ha analitzat en condicions fora de disseny amb dos aproximacions temporals complementàries. Els models estacionaris s'han usat per a optimitzar les diferents arquitectures d'ejector i l'operació global del sistema en certes condicions d'operació representatives, mentre que l'anàlisi transitori representa un enfocament més realista i té en compte la natura impredictible i inestable dels canvis en les condiciones climàtiques. L'estudi s'ha conclòs amb un anàlisi termoeconòmic, el qual ha sigut útil per a discernir si els dissenys altament optimitzats són competitius quan es comparen amb les solucions de refrigeració que es troben actualment consolidades al mercat. La principal conclusió de l'anàlisi en condicions estàtiques per a l'aplicació termosolar és que la transformació de potència tèrmica a potència de refrigeració pot arribar a un rendiment del 37.7%, mentre que el rendiment global del sistema arriba al 20.1 % amb dissenys altament optimitzats d'ejector per a unes condicions d'evaporació i condensació de 13°C i 40°C, respectivament. En condicions dinàmiques, la implementació de la geometria variable millora al voltant d'un 40% el rendiment del sistema de refrigeració, a més d'incrementar la seua capacitat de romandre en funcionament. El tanc d'emmagatzemament tèrmic juga un paper rellevant en aquest aspecte i, per a una llargària de col·lector parabòlic de 7.1 m, un consum nominal de 13.3 kW de potencia tèrmica del tanc ha resultat ser una solució de compromís per a mantenir en equilibri els principals indicadors de prestacions. L'anàlisi termoeconòmic de l'arquitectura més prometedora suggereix que l'estalvi de cost operatiu està lluny de poder compensar l'elevada inversió inicial en equipament (16.905€ per a una capacitat de refrigeració aproximada de 5.6 kW), posant de manifest la dificultat del sistema per a competir amb les solucions de refrigeració actualment consolidades al mercat i ressaltant la necessitat de considerar solucions híbrides. La principal conclusió de l'aplicació en motor de combustió és que la reducció de temperatures a la línia d'admissió per baix de 4°C és factible, produint millores en el rendiment volumètric de al voltant de l'11%, no obstant això, el sistema mostra vulnerabilitats a l'hora d'operar en punts de motor diferents al de disseny. / [EN] Jet-ejector refrigeration systems powered by renewable heat or waste heat sources have the potential to achieve significant primary energy savings when substituting or aiding traditional refrigeration systems. Their field of applicability is vast and the present work has been focused on a detailed study of two applications with great potential following a computational approach: (i) air-conditioning generation powered by solar thermal energy and (ii) internal combustion engine intake air refrigeration powered by its exhaust line waste heat. The research efforts have been directed towards mitigating the negative effect of two of the main weak points of jet-ejector refrigeration systems: their relatively low efficiency and the incapacity of the baseline configuration to operate robustly away from the design conditions. The first issue has been addressed mainly by designing highly optimized jet-ejector geometries using computational fluid dynamics techniques and optimizing the jet-ejector integration in the overall system. The second one has been addressed by carrying out complete characterizations of the refrigeration system response in design and off-design conditions. Advanced strategies to face the refrigeration system performance decay away from design conditions have been proposed, like the utilization of adjustable jet-ejector architectures or the implementation of hot thermal storage tanks. The system response has been analyzed in off-design conditions with two complementary temporal schemes. The steady-state models have been used to optimize the jet-ejector architectures and the overall system operation for representative operating scenarios, while the transient analysis represents a more realistic approach and accounts for changes in climatic conditions, which have an unpredictable and unstable nature. The study has been concluded with a thermoeconomic analysis, which has been useful to discern if the highly optimized designs are competitive when compared to existing refrigeration solutions consolidated in the market. The main conclusions of the steady-state analysis for the solar application are that the transformation from thermal power to refrigeration power can achieve an efficiency of 37.7%, while the global efficiency achieves 20.1% when highly optimized jet-ejectors are used for an evaporating and condensing conditions of 13°C and 40°C, respectively. In dynamic conditions, the implantation of an adjustable jet-ejector brings improvements in refrigeration system efficiency of around 40%, besides improving its capacity to remain in operation. The thermal storage system plays a relevant role in this sense and, for a fixed parabolic trough collector span of 7.1 m, a nominal thermal power consumption of 13.3 kW represents a trade-off between the performance indicators subject to analysis. The thermoeconomic assessment of the most promising system architecture suggests that the operating cost savings are far from compensating for the capital expenditures (16,905€ for a refrigeration capacity of approximately 5.6 kW), evidencing the difficulties of the system to compete against refrigeration solutions currently consolidated in the market and outlining the interest in hybrid solutions. The main conclusion of the automotive application is that it is feasible to achieve in the engine intake line temperatures below 4°C, bringing improvements in volumetric engine efficiency of around 11%. Nevertheless, the system shows vulnerabilities when operating in engine operating points different from the design one. / My most sincere acknowledgment to the whole CMT-Motores Térmicos team for giving me the opportunity of being part of it and the grant program Subvenciones para la contrataci ́on de personal investigador predoctoral for doctoral studies (reference ACIF/2018/124), awarded by Generalitat Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital and the European Union for funding this project. / Ponce Mora, A. (2022). Feasibility Study of Jet-Ejector Refrigeration Systems as a Mechanism for Harnessing Low-Grade Thermal Energy from Different Sources [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181710 / TESIS

[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 / TESIS

[ES] Desde la irrupción de los vehículos eléctricos en el mercado automotriz como una opción de transporte limpia y asequible, los fabricantes de motores han estado buscando nuevas formas de reducir la huella ambiental de los actuales motores de combustión interna alternativos (MCIA). Hoy en día, la mayoría de las investigaciones en aplicaciones de vehículos de pasajeros se centran en desarrollar aún más los motores de encendido provocado (MEP) para promover una nueva generación de sistemas de propulsión sostenibles y de alto rendimiento. En este contexto, el concepto de encendido de precámara se está convirtiendo en una solución atractiva para aumentar la eficiencia térmica de los futuros MEP para vehículos de pasajeros, debido a su capacidad de acelerar el proceso de combustión. Además, la combinación de esta estrategia de encendido con mezclas diluidas (ya sea con aire o gases de escape) tiene el potencial de mejorar aún más el rendimiento del motor. En particular, en comparación con los sistemas de precámara activa con suministro de combustible auxiliar, la versión pasiva ofrece ventajas evidentes en términos de simplicidad mecánica, ensamblaje y coste. Sin embargo, todavía existen importantes obstáculos relacionados con la comprensión de los aspectos fisicoquímicos fundamentales del concepto (turbulencia, aerodinámica, conversión de energía, dinámica de los chorros, geometría de precámara...), que en última instancia han limitado la integración de esta tecnología en producción. Por lo tanto, esta tesis doctoral pretende extender el nivel de conocimiento de este concepto de encendido mediante el uso de un modelo CFD de última generación, validado con un extenso conjunto de medidas experimentales y siguiendo una metodología especialmente desarrollada para este trabajo de investigación. Los resultados obtenidos se dividieron en tres partes: La primera parte evaluó un MEP monocilíndrico de investigación, representativo de vehículos automóviles, que integraba el concepto de precámara pasiva en condiciones estequiométricas sin dilución. Aquí se evaluó el impacto del punto de operación del motor, el avance del encendido y la geometría de la precámara sobre los procesos físicos y termoquímicos que intervienen en este concepto de combustión. La segunda parte del estudio se centró en caracterizar el concepto en condiciones diluidas con aire y recirculación de gases de escape (EGR). Se analizó en profundidad la evolución del proceso de combustión y la distribución de energía en la precámara y cámara principal para los límites de dilución experimentales. Además, también se evaluó el uso de hidrógeno para ampliar el límite de dilución con aire. La última etapa de la investigación consistió en evaluar una posible aplicación tecnológica de este concepto de encendido a partir de los conocimientos adquiridos. Por ello, se desarrolló una metodología de diseño de precámara que combina herramientas numéricas 0D/1D y CFD. Posteriormente, la metodología fue validada en el banco de ensayos del motor, y la precámara resultante ofreció buenos niveles de rendimiento térmico y fue capaz de extender el límite de dilución con EGR. Con ello, la presente tesis doctoral supone un avance significativo en el campo del análisis del impacto de la integración de sistemas avanzados en MCIA en general, y en MEP en particular, con el objetivo de mejorar sus prestaciones, emisiones o rendimiento, contribuyendo al esfuerzo que está realizando la comunidad científica para mitigar el impacto ambiental del sector del transporte. / [CAT] Des de la irrupció dels vehicles elèctrics en el mercat automotriu com una opció de transport neta i assequible, els fabricants de motors han estat buscant noves maneres de reduir la petjada ambiental dels actuals motors de combustió interna alternatius (MCIA). Hui dia, la majoria de les investigacions en aplicacions de vehicles de passatgers se centren a desenvolupar encara més els motors d'encesa provocada (MEP) per a promoure una nova generació de sistemes de propulsió sostenibles i d'alt rendiment. En aquest context, el concepte d'encesa de precàmera s'està convertint en una solució atractiva per a augmentar l'eficiència tèrmica dels futurs MEP per a vehicles de passatgers, a causa de la seua capacitat d'accelerar el procés de combustió. A més, la combinació d'aquesta estratègia d'encesa amb mescles diluïdes (siga amb aire o productes de la combustió) té el potencial de millorar encara més el rendiment del motor. En particular, en comparació amb els sistemes de precàmera activa amb subministrament de combustible auxiliar, la versió passiva ofereix avantatges evidents en termes de simplicitat mecànica, assemblatge i cost. No obstant això, encara existeixen importants obstacles relacionats amb la comprensió dels aspectes fisicoquímics fonamentals del concepte (turbulència, aerodinàmica, conversió d'energia, dinàmica d'ejecció, geometria de precàmera...), que en última instància han limitat la integració d'aquesta tecnologia a la producció en sèrie. Per tant, aquesta tesi doctoral pretén estendre el nivell de coneixement d'aquest concepte d'encesa mitjançant l'ús d'un model CFD d'última generació, validat amb un extens conjunt de mesures experimentals i seguint una metodologia especialment desenvolupada per a aquest treball de recerca. Els resultats obtinguts es divideixen en tres parts. La primera part estudia un MEP monocilíndric d'investigació, representatiu dels vehicles actuals d'automoció, que integra el concepte de precàmera passiva en condicions estequiomètriques sense dilució. Ací s'avalua l'impacte del punt d'operació del motor, l'avanç de l'encesa i la geometria de la precàmera sobre els processos físics i termoquímics que intervenen en aquest concepte de combustió. La segona part de l'estudi se centra a caracteritzar el concepte en condicions diluïdes amb aire i recirculació de gasos produïts per la combustió (EGR). S'analitza en profunditat l'evolució del procés de combustió i la distribució d'energia en la precàmera i en cambra principal per als límits de dilució experimentals. A més, també s'avalua l'ús d'hidrogen per a ampliar el límit de dilució amb aire. L'última etapa de la investigació consisteix a avaluar una possible aplicació tecnològica d'aquest concepte d'encesa a partir dels coneixements adquirits. Per això, es desenvolupa una metodologia de disseny de precàmera que combina eines numèriques 0D/1D i CFD. Posteriorment, la metodologia és validada al banc d'assajos del motor, on la precàmera resultant ofereix bons nivells de rendiment tèrmic i és capaç d'estendre el límit de dilució amb EGR. Amb això, la present tesi doctoral suposa un avanç significatiu en el camp de l'anàlisi de l'impacte de la integració de sistemes avançats en MCIA en general, i en MEP en particular, amb l'objectiu de millorar les seues prestacions, emissions o rendiment, contribuint a l'esforç que està realitzant la comunitat científica per a mitigar l'impacte ambiental del sector del transport. / [EN] Since the irruption of electric vehicles in the automotive market as a clean and affordable transportation option, engine manufacturers have been looking for new ways to reduce the environmental footprint of current internal combustion engines (ICE's). Nowadays, most of the research efforts in passenger car applications focus on further developing spark-ignition (SI) engines to promote a new generation of high-performance and sustainable powertrains. In this context, the pre-chamber ignition concept is becoming an attractive solution to increase the thermal efficiency of future light-duty SI engines, due to its inherent capability of enhancing the combustion process. Moreover, combining this ignition strategy with diluted mixtures (either with air or exhaust gases) has the potential to further improve the engine performance and reduce pollutant emissions. In particular, compared to active pre-chamber systems with an auxiliary fuel supply, the passive version provides advantages in terms of mechanical simplicity, packaging and cost-effectiveness. However, there are still major hurdles related to the understanding of the fundamental physicochemical aspects of the concept (turbulence, scavenging, energy conversion, jet dynamics, pre-chamber geometry...), that ultimately have limited the integration of this technology into production vehicles. Therefore, this doctoral thesis intends to fill these knowledge gaps by using a state-of-the-art CFD model, validated with an extensive set of engine tests and following a simulation methodology specially developed for this research work. The obtained results were divided into three parts: The first part evaluated a research single-cylinder SI engine, representative of light-duty applications, operating with the passive pre-chamber system in un-diluted stoichiome\-tric conditions. Here, the impact of the engine operating point, spark timing and pre-chamber geometry over the physical and thermochemical processes that are involved in this combustion concept were evaluated. The second part of the study focused on characterizing the concept in diluted conditions with air and exhaust gas re-circulation (EGR). The combustion evolution and energy distribution in the pre-chamber and main chamber for the experimental dilution limits were deeply analyzed. In addition, the use of hydrogen to extend the air-dilution limit was also assessed. The final part of the investigation consisted in developing a potential technological application of this ignition concept from the acquired knowledge. Therefore, a pre-chamber design methodology combining 0D/1D and CFD numerical tools was developed and validated in the engine test bench. The resulting pre-chamber offered good levels of thermal efficiency and was able to extend the EGR dilution limit. This doctoral thesis represents a significant advancement in the frame of analyzing the impact of advanced ignition systems and their integration in ICE's in general, and in SI engines in particular, with the aim of improving the global features of these powerplants (efficiency and emissions), contributing to the effort that the scientific community is carrying out to mitigate the environmental impact of the transportation sector. / Barbery Avila, II. (2023). CFD Modelling and Analysis of the Passive Pre-Chamber Ignition Concept for Future Generation Spark-Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193035