[ES] La descarga de vapor en forma de chorro en piscinas con agua subenfriada es una forma muy eficiente de condensar vapor y es muy utilizada en diversas aplicaciones industriales, como la industria farmacéutica, metalúrgica, química, sistemas de propulsión sumergida y nuclear. Siendo especialmente esencial en los sistemas de seguridad de las centrales nucleares, concretamente en la piscina de supresión de presión de los Reactores de Agua en Ebullición (BWR, Boiling Water Reactor) y en el tanque de almacenamiento de agua de reabastecimiento en la contención de los reactores avanzados de agua a presión. La eficiencia de esta técnica, denominada Condensación por Contacto Directo (DCC, Direct Contact Condensation), radica en la rápida condensación del vapor proporcionando una alta capacidad de transferencia de calor e intercambio de masa. En las últimas décadas, se han llevado a cabo muchos experimentos sobre los chorros sumergidos de gases no condensables y vapor puro en piscinas, que han proporcionado mucha información de interés, aunque continúan los esfuerzos para adquirir información adicional. Para estudiar en detalle el comportamiento de las descargas de chorros turbulentos se han llevado a cabo una serie de experimentos en una instalación que ha sido diseñada para representar diversos entornos de interés crítico para la seguridad en centrales nucleares. Su singularidad radica en la capacidad de poder reproducir fenomenologías similares a situaciones específicas que podrían surgir en una central nuclear, desde sistemas de despresurización hasta roturas con pérdida de refrigerante. La instalación posibilita el estudio con vapor, aire o una mezcla de ambos utilizando geometrías simples (boquilla) o complejas (sparger) en una piscina con agua en reposo. Se ha utilizado una cámara de alta velocidad con Dispositivo de Carga Acoplada (CCD, Charged-Coupled Device) para capturar imágenes de la descarga del chorro en la piscina y así determinar la interfase entre el gas y el líquido, utilizando técnicas de visualización directa. Para llevar a cabo el procesamiento de dichas imágenes, se han aplicado una serie de procedimientos de procesado, filtrado y post-procesado utilizando una subrutina implementada en MATLAB. Tras la adquisición de las imágenes, se ha caracterizado el comportamiento del chorro de vapor y aire, el efecto de la fracción volumétrica de aire sobre la mezcla y el efecto de la variación del tamaño de la boquilla. Además, se ha medido la longitud del momento del chorro y se ha comprobado su estrecha relación con el diámetro de la boquilla, la velocidad del chorro y el porcentaje de la mezcla. Por otro lado, se ha caracterizado el comportamiento del chorro horizontal en la zona de transición. La transición indica el cambio de un chorro dominado exclusivamente por la fuerza de momento a un régimen en el que las fuerzas de flotación prevalecen. Esta prueba se ha realizado utilizando cinco boquillas intercambiables y para cada caudal de vapor se ha determinado el porcentaje de aire en el que ocurre la transición. Otro de los principales objetivos de esta tesis es la modelación utilizando herramientas de códigos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), específicamente descargas de chorros de aire en agua subenfriada. Para esto se ha empleado el software ANSYS CFX. El comportamiento del flujo multifásico se ha simulado utilizando el modelo euleriano-euleriano no homogéneo; debido a que es más conveniente para estudiar fluidos interpenetrados. Los resultados CFD se han validado con datos experimentales y resultados teóricos. Las cifras de mérito de la longitud de penetración adimensional y la longitud de flotabilidad adimensional muestran una buena concordancia con las mediciones experimentales. Las correlaciones para estas variables se obtuvieron en función de números adimensionales para dar generalidad utilizando sólo condiciones iniciales de contorno. / [CA] La descàrrega de vapor en forma de xorrat en piscines amb aigua subrefredada és una forma molt eficient de condensar vapor i s'utilitza àmpliament en diverses aplicacions industrials, com la indústria farmacèutica, metal·lúrgica, química, sistemes de propulsió submergida i nuclear. És especialment essencial en els sistemes de seguretat de les centrals nuclears, concretament en la piscina de supressió de pressió dels Reactors d'Aigua en Bulliment (BWR) i en el dipòsit d'aigua de reaprovisionament a la contenció dels reactors avançats d'aigua a pressió. L'eficiència d'aquesta tècnica, anomenada Condensació per Contacte Directe (DCC), rau en la ràpida condensació del vapor proporcionant una alta capacitat de transferència de calor i intercanvi de massa. En les últimes dècades, s'han realitzat molts experiments sobre els raigs submergits de gasos no condensables i vapor pur en piscines, que han proporcionat molta informació d'interès, tot i que continuen els esforços per adquirir informació addicional. Per estudiar amb detall el comportament de les descàrregues de raigs turbulents s'han dut a terme una sèrie d'experiments en una instal·lació que ha estat dissenyada per representar diversos entorns d'interès crític per a la seguretat en centrals nuclears. La seua singularitat rau en la capacitat de poder reproduir fenomenologies semblants a situacions específiques que podrien sorgir en una central nuclear, des de sistemes de despressurització fins a ruptures amb pèrdua de refrigerant. La instal·lació possibilita l'estudi amb vapor, aire o una barreja de tots dos utilitzant geometries simples (busseta) o complexes (sparger) en una piscina amb aigua en repòs. A més, és possible combinar aquestes situacions amb diferents condicions de cabal, pressió o temperatura. S'ha utilitzat una càmera de alta velocitat (CCD) per capturar imatges de la descàrrega del raig a la piscina i així determinar la interfase entre el gas i el líquid, emprant tècniques de visualització directa. Per dur a terme el processament d'aquestes imatges, s'han aplicat una sèrie de procediments complexes de processat, filtrat i post-processat mitjançant una subrutina implementada en MATLAB. Després de l'adquisició de les imatges, s'ha caracteritzat el comportament del raig de vapor i aire, l'efecte de la fracció volumètrica d'aire sobre la barreja i l'efecte de la variació de la grandària de la busseta. A més, s'ha mesurat la longitud del moment del raig i s'ha comprovat la seua estreta relació amb el diàmetre de la busseta, la velocitat del raig i el percentatge de la barreja. D'altra banda, s'ha caracteritzat el comportament del raig horitzontal en la zona de transició. La transició indica el canvi d'un raig dominat exclusivament per la força de moment a un règim en què les forces de flotació prevalen. Aquesta prova s'ha realitzat utilitzant cinc bussetes intercanviables i per a cada cabal de vapor s'ha determinat el percentatge d'aire en què ocorre la transició. Un altre dels principals objectius d'aquesta tesi és la modelització utilitzant eines de codis de Dinàmica de Fluids Computacionals (CFD), específicament descàrregues de xorrades d'aire en aigua subrefredada. Per a això s'ha utilitzat el software ANSYS CFX. El comportament del flux multifàsic s'ha simulat utilitzant el model eulerià-eulerià no homogeni, ja que és més convenient per estudiar fluids interpenetrats. Els resultats CFD s'han validat amb dades experimentals i resultats teòrics. Les figures de mèrit de la longitud de penetració adimensional i la longitud de flotabilitat adimensional mostren una bona concordança amb les mesures experimentals. Les correlacions per a aquestes variables s'han obtingut en funció de nombres adimensionals per donar generalitat utilitzant només condicions inicials de contorn. El model numèric CFD desenvolupat té la capacitat de simular el comportament de gasos no condensables descarregats en aigua. / [EN] The discharge of steam in the form of a jet in pools with subcooled water is a highly efficient way to condense steam and is widely used in various industrial applications, such as the pharmaceutical, metallurgical, chemical, submerged propulsion, and nuclear industries. It is particularly essential in the safety systems of nuclear power plants, specifically in the pressure suppression pool of Boiling Water Reactors (BWR) and in the water replenishment tank in the containment of advanced pressurized water reactors. The efficiency of this technique, known as Direct Contact Condensation (DCC), lies in the rapid condensation of steam, providing a high heat transfer and mass exchange capacity. In recent decades, numerous experiments have been conducted on submerged jets of non-condensable gases and pure steam in pools, yielding valuable information, although efforts continue to gather additional data. To study in detail the behavior of turbulent jet discharges, a series of experiments have been carried out in a facility designed to simulate various critical environments for safety in nuclear power plants. Its uniqueness lies in the ability to reproduce phenomenologies like specific situations that could arise in a nuclear power plant, from depressurization systems to ruptures with coolant loss. The facility enables the study with steam, air, or a mixture of both using simple geometries (nozzle) or complex geometries (sparger) in a pool with quiescent water. Additionally, it is possible to combine these situations with different flow, pressure, or temperature conditions. A high-speed camera with Charge-Couple Device (CCD) has been used to capture images of the jet discharge in the pool, aiming to determine the gas-liquid interface through direct visualization techniques. Following the image acquisition, a series of complex processing, filtering, and post-processing procedures have been applied using a subroutine implemented in MATLAB. After obtaining the images, the behavior of the steam and air jet, the effect of the volumetric fraction of air on the mixture, and the impact of varying the nozzle size have been characterized. Additionally, the length of the jet momentum has been measured, establishing its close relationship with the nozzle diameter, jet velocity, and mixture percentage. Furthermore, the behavior of the horizontal jet in the transition zone has been characterized. The transition denotes the shift from a jet dominated exclusively by momentum force to a regime where buoyancy forces prevail. This test has been conducted using five interchangeable nozzles, and for each steam flow rate, the percentage of air at which the transition occurs has been determined. Another main objective of this thesis is modeling using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools, specifically jet discharges of air into subcooled water. The ANSYS CFX software has been employed for this purpose. Multiphase flow behavior has been simulated using the non-homogeneous Eulerian-Eulerian model, as it is more convenient for studying interpenetrated fluids. CFD results have been validated with experimental data and theoretical results. The dimensionless penetration length and dimensionless buoyancy length merit figures show good agreement with experimental measurements. Correlations for these variables were obtained as a function of dimensionless numbers to provide generality using only initial boundary conditions. The developed CFD numerical model has the capability to simulate the behavior of non-condensable gases discharged into water. / Córdova Chávez, Y. (2024). Experimentación y modelación de mezcla de vapor y gases no-condensables [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207266

[EN] The aim of the present Thesis is to develop models for the study of very high-frequency phenomena associated with the coupling dynamics of a railway vehicle with the track. Through these models, this Thesis intends to address squeal noise as a particular case of rolling noise when the train negotiates a small radius curve. Wheel/rail interaction is the predominant source of noise emission in railway operations. Rolling contact couples the wheel and the rail through a very small area, characterised by strongly non-linear and non-steady state dynamics that differentiates rolling noise from any other noise problem. Wheel/rail contact problem is studied based on Kalker's variational theory and the local falling behaviour of the coefficient of friction is introduced by means of a regularisation of Coulomb's law. Its implementation shows that the influence of the falling friction on the creep curves can be assumed negligible, thus rolling contact is finally modelled using a constant coefficient of friction. Flexibility is introduced in railway substructures through the Finite Element (FE) method in order to cover the high-frequency range. This work adopts a rotatory wheelset model that takes computational advantage of its rotational symmetry. It also develops a cyclic flexible rail model that fixes the translational contact force in a spatial point of the mesh through a technique called Moving Element (ME) method. A modal approach is used to reduce significantly the number of degrees of freedom of the global problem and a diagonalisation technique permits to decouple the resulting modal equations of motion in order to increase the computational velocity of the time integrator. Simulations in curving conditions in the time domain are carried out for constant friction conditions in order to study if the proposed interaction model can reproduce squeal characteristics for different curve radii and coefficients of friction. / [ES] El objetivo de la presente Tesis es desarrollar modelos para el estudio de fenómenos de muy alta frecuencia asociados a la dinámica acoplada de un vehículo ferroviario con la vía. A través de estos modelos, esta Tesis pretende abordar el fenómeno de los chirridos como un caso particular de ruido de rodadura en condiciones de curva cerrada. La interacción rueda/carril es la fuente predominante de ruido en las operaciones ferroviarias. El contacto es el responsable del acoplamiento entre la rueda y el carril a través de un área muy pequeña caracterizada por una dinámica fuertemente no lineal y no estacionaria. El problema de contacto rueda/carril se estudia mediante la teoría variacional de Kalker y la caída local del coeficiente de fricción se introduce por medio de una regularización de la ley de Coulomb, que muestra que su influencia sobre las curvas de fluencia se puede despreciar. Como consecuencia, el coeficiente de fricción se considera constante. La flexibilidad se introduce en las subestructuras ferroviarias a través del método de los Elementos Finitos (EF) para cubrir el rango de las altas frecuencias. La Tesis adopta un modelo de eje montado rotatorio que toma ventaja computacional de su simetría rotacional. También desarrolla un modelo de carril flexible y cíclico que fija la fuerza de contacto en un punto espacial de la malla mediante el método de los Elementos Móviles (EM). Se utiliza un enfoque modal para reducir significativamente el número de grados de libertad del problema global; las ecuaciones de movimiento resultantes en coordenadas modales se desacoplan mendiante una técnica de diagonalización para aumentar la velocidad computacional del integrador temporal. Las simulaciones en condiciones de curva en el dominio del tiempo se llevan a cabo en condiciones de fricción constante con el objetivo de estudiar si el modelo de interacción propuesto puede reproducir las características del chirrido en curva para diferentes radios de curva y coeficientes de fricción. / [CAT] L'objectiu de la present Tesi és desenvolupar models per a l'estudi de fenòmens de molt alta freqüència associats amb la dinàmica acoblada d'un vehicle ferroviari amb la via. Aquests models permeten simular el soroll de rodament encara que, en particular, aquest treball es proposa abordar el fenomen del soroll grinyolant produït quan el tren negocia un radi de curvatura estret. La interacció roda/carril és la font predominant de l'emissió de soroll en les operacions ferroviàries. El contacte acobla la roda i el carril a través d'una àrea molt reduïda que es caracteritza per una dinàmica fortament no lineal i no estacionària. El problema de contacte roda/carril s'estudia mitjançant la teoria variacional de Kalker i el descens local del coeficient de fricció s'introdueix per mitjà d'una regularització de la llei de Coulomb, què demostra que la seua influència en les corbes de fluència es pot suposar insignificant. Per tant, s'utilitza un coeficient de fricció constant per a modelar el contacte. La flexibilitat s'introdueix en les subestructures de ferrocarril a través del mètode d'Elements Finits (EF) per tal de cobrir el rang d'alta freqüència. La present tesi adopta un model d'eix muntat rotatori que s'aprofita de la seua la simetria rotacional per a augmentar la eficiència computacional. També desenvolupa un model de carril flexible i cíclic que fixa la força de contacte en un punt espacial de la malla a través del mètode dels Elements Mòbils (EM). S'empra un enfocament modal per reduir significativament el nombre de graus de llibertat del problema global, al temps que s'implementa una tècnica diagonalització que permet desacoblar les equacions modals de moviment per a augmentar la velocitat computacional de l'integrador temporal. Les simulacions en les condicions de corba en el domini del temps es duen a terme per a condicions de fricció constant per tal d'estudiar si el model d'interacció proposat pot reproduir les característiques del soroll grinyolant per a diferents radis de corba i coeficients de fricció. / Giner Navarro, J. (2017). Advances Techniques for Time-Domain Modelling of High-Frequency Train/Track Interaction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90637

[pt] Nesta tese, a teoria das hastes de Cosserat é revisitada e aplicada à dinâmica de coluna de perfuração. O objetivo é estudar o comportamento dessas estruturas dentro de poços de petróleo curvos. Para atingir este objetivo, um modelo estrutural determinístico é construído onde as tubos de perfuração (drill-pipes) e o conjunto de fundo (bottom hole assembly) são considerados como uma estrutura unidimensional de Cosserat. Em seguida, é desenvolvida uma estratégia para tratar o contato lateral em poços com configuração curvilínea. Depois disso, o problema de contorno livre é tratado mediante uma estratégia que considera como a condição de borda evolui à medida que a estrutura de perfuração avança. Isto é feito mediante uma formulação de interação broca-rocha que deve considerar a dinâmica de corte. Para isso, uma equação extra, de advecção, é resolvida junto com as equações de movimento de Cosserat. Em seguida, alguns casos de aplicação são apresentados. Numa primeira instancia, alguns elementos do problema são avaliados separadamente. Seguidamente, eles são integrados e analisados de forma conjunta. Por exemplo, primeiramente uma coluna de perfuração sem contato de fundo (off-bottom) é simulada, ou seja, sem contato broca-rocha, para estudar o comportamento e a implementação da estratégia para o contato lateral. Aqui também são calibrados alguns dos parâmetros do modelo de atrito. Em seguida, a estratégia para contabilizar o corte na rocha é implementada em um modelo 2-DOF de baixa dimensão e em um semi-discreto onde a dinâmica de torção é modelada como uma equação de onda. Os resultados mostram que o uso de abordagens contínuas resulta mais apropriade que aquelas onde se utilizam modelos de baixa dimensãom, particularmente quando são consideradas colunas longas, e quando há interesse em analisar não apenas o comportamento da broca, mas também o comportamento do sistema mecânico ao longo dos tubos de perfuração. Isso é reforçado por outro exemplo onde a dinâmica de corte é combinada com a formulação de Cosserat. Observações semelhantes do ponto de vista qualitativo são encontradas. Resumindo os resultados obtidos, as diferenças nas previsões dadas pelos modelos de baixa dimensão e o de unidimensional de Cosserat justificam o desenvolvimento e aplicação da abordagem com esta formulação em estruturas de perfuração. Finalmente, a modo de introduzir outro aspecto importante em colunas de perfuração e que pode ser uma linha de pesquisa para continuar o trabalho, a variabilidades presente em elementos como rocha, inclui-se um caso de aplicação considerando um poço horizontal e um campo estocástico de atrito. / [en] In this thesis, the theory of Cosserat rods is applied to the dynamics of drill-strings. The main objective is to evaluate the behaviour of these strings when they move within curved wells. To achieve this goal, a deterministic structural model is constructed, where the drill-pipes and the bottom hole assembly are taken as a Cosserat rod. Next, a strategy to deal with the lateral contact in curved well configurations is developed. After that, the free boundary problem is assessed: while drilling, the boundary changes due to cutting, modifying the position of the soil and, consequently, changing the bit-rock interaction forces. For this reason, a bit-rock model that can account for the cutting dynamics is adopted, in which an extra advection equation is solved together with the equations of motion of the Cosserat rod. Next, application cases are provided. First, some effects included in the model are tested in isolation, such as the lateral friction, the lateral contact, and the cutting. After that, they are all combined. In the first analysis, an off-bottom string is simulated, i.e. without contact at the bit. This allows testing the formulation associated with the lateral contact. Also, the calibration of the lateral friction parameters is made. Following that, the strategy to account for the cutting at the bit is implemented in a low-dimensional 2-DOF model, and in a semi-discrete model with a continuous wave equation for the torsional dynamics. The results show that the use of continuous approaches is more appropriate than low-dimensional models. Especially when long columns are considered, and when there is interest in understanding not only the behaviour at the bit but also along drill-pipes. This finding is reinforced by another application where the cutting dynamics are combined with the Cosserat rod formulation. Again, similar observations from a qualitative point of view are found. Overall, the differences in the results between the lumped low-dimensional models and the continuous Cosserat rod justify the development and application of the Cosserat approach to drilling structures. Finally, an introductory stochastic analysis concerning the variability of the rock is presented as an introduction to a future line of research, where stochasticity is included. / [es] En esta tesis, la teoria de Cosserat para elementos unidimensionales es revisitada y aplicada a la simulación de columnas de perforación. El objetivo es estudiar el comportamiento de estas estructuras en pozos de geometría curva. Para alcanzar este objetivo se construye un modelo determinístico. En este modelo, los caños de perforación (drill-pipes) y el conjunto de fondo (bottom hole assembly) son modelados como una estructura unidimensional de Cosserat. Seguidamente, una estrategia para tratar con el contacto lateral en pozos curvos es desarrollada. Luego, el problema de frontera libre es estudiado: durante la perforación, la condición de borde cambia debido al cambio del perfil altimétrico del terreno, alterando su posición y consecuentemente las fuerzas asociadas a la interacción broca-roca. Por esta razón, se decide utilizar un modelo de interacción broca-roca que tiene en cuenta la dinámica del corte. En este abordaje una ecuación extra, la ecuación de advección, es resuelta en forma acoplada con las ecuaciones del movimiento de la estructura de Cosserat. Algunos ejemplos de aplicación son presentados. En una primera instancia, algunos de los elementos del problema son estudiados en forma aislada. Luego combinados en un modelo completo. Por ejemplo, el caso de una columna sin contacto de fondo (off-bottom) es tratado para evaluar el comportamiento y la implementación de la estrategia mencionada para detectar el contacto lateral. Además, se efectúa la calibración de alguno de los parámetros relacionados con la fricción lateral. Luego, la estrategia para considerar el corte en la punta es implementada en un modelo de 2-DOF, y en otro semi-discreto donde se considera un modelo de ecuación de onda para la dinámica torsional. Los resultados muestran que el uso de formulaciones continuas es más apropiado que aquellas formulaciones donde se utilizan modelos de dimensiones reducidas, particularmente cuando se estudia columnas largas donde el interés se centra en entender no solo el comportamiento de la broca sino también a lo largo de la tubería. Este resultado es reforzado por otro caso de aplicación en donde se combina la dinámica de corte con un modelo de Cosserat. Observaciones similares son vistas en el comportamiento cualitativo de la solución. En resumen, las diferencias observadas en los diferentes ejemplos de aplicación entre los modelos de dimensiones reducidas y el modelo continuo de Cosserat justifican el desarrollo y la aplicación de la teoría de Cosserat a estructuras de perforación. Finalmente, dado que uno de los objetivos planteados también es considerar la variabilidad en algunos elementos como ser las propiedades de la roca, un caso de aplicación considerando un pozo horizontal es mostrado.