Tesis por compendio / The mixing processes are present in the hydraulics engineering field as well as in the environmental field, and they appear in many different situations that are of great interest for humankind. The mechanisms that rule these processes can be very diverse and complex, these being able to interact with each other. However, when a fluid has a turbulent behavior, it is highly unstable and three-dimensional, modifying greatly the other mixing processes. In these cases, the resolution for the fluid mechanics with classical methods can be extremely difficult, making the use of approximations and models necessary. On the other hand, in the last few years, numerical simulation techniques have advanced a lot, and with the velocity increase and the computational capacity, Computational Fluids Dynamics (CFD) allows the development of simulations of these complex processes. This doctoral thesis is motivated by the importance of analyzing the physics of the turbulent flow by numerical methods in different mixing processes of interest in the field of hydraulics engineering and the environmental fluid mechanics. It is intended to illustrate the utility and potentiality of the CFD through the application and analysis in four specific steps, grouped together in two groups of mixing processes: the ones influenced by a turbulent jet in a water tank, and the ones influenced by the turbulent structures due to the curved geometry of the meander channels. The four studied cases are: i) mixing processes in drinking water storage tanks, ii) inlet influence in the thermal stratification in hot water storage tanks, iii) turbulent flow and mixing in a meandering channel, and iv) turbulent flow and mixing in compound meandering channels. The developed work is focused in a practical context. To that effect, test simulations on each studied case have been developed. The experimental data is useful for validating the models and, overall, to thoroughly study the problem. Two CFD techniques are used to solve the Navier-Stokes equations, together with turbulence models, dispersion and/or heat transference, depending on the case. For the jet mixing cases, the chosen technique was the URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes). In the meander cases the LES (Large Eddy Simulation) technique was required. The first work shows a procedure for the study of the fluid dynamic in the mixing processes in potable water tanks. The procedure can be applied in the design and improvement of these elements by using the URANS technique together with experimental methods. In the second case, the URANS simulations in the hot water tank could determine the distribution of the temperature in the whole computational domain. Besides, the model, validated with a high level of adjustment, was developed for the study of the influence of some inlet configurations and to improve the degree of stratification. With respect to the third study, the suitability of the LES technique has been proved in the thorough study of the flow and the turbulence in meanders, even by using relatively coarse grids. The great influence of the secondary flows (due to the curved shape of the channel) on the mixing process has been clarified. Finally, the LES technique was very effective upon adding information about the flow and the turbulence in meanders with different flooding levels. A very good consistency with the experimental data was obtained, despite the use of relatively coarse grids. The mixing process between the flooding flow and the meander has been observed with more clarity. / Los procesos de mezcla están presentes tanto en el campo de la ingeniería hidráulica como en el del medio ambiente y aparecen en infinidad de situaciones que son de gran interés para el ser humano. Los mecanismos que gobiernan estos procesos pueden ser muy diversos y complejos, pudiendo interaccionar entre sí. Sin embargo, cuando un fluido tiene un comportamiento turbulento, éste es altamente inestable y tridimensional, modificando en gran medida los otros mecanismos de mezcla. En estos casos, la resolución con métodos clásicos de la mecánica de fluidos puede llegar a ser extremadamente difícil, siendo necesario utilizar aproximaciones o modelos. Por otro lado, en los últimos años, se ha avanzado mucho en las técnicas de simulación numérica, y junto con el aumento de la velocidad y capacidad computacional, la Dinámica de Fluidos Computacional (en inglés Computational Fluid Dynamics, CFD) permite desarrollar simulaciones de estos complejos procesos. Esta Tesis Doctoral está motivada por la importancia de analizar mediante métodos numéricos la física del flujo turbulento en diferentes procesos de mezcla de interés en el campo de la ingeniería hidráulica y la mecánica de fluidos medioambiental. Se pretende ilustrar la utilidad y potencialidad de la CFD a través de la aplicación y análisis a cuatro casos concretos, agrupados en dos grupos de procesos de mezcla: los dominados por un chorro turbulento de entrada en un tanque de agua y los dominados por las estructuras turbulentas debidas a la propia geometría curva de los canales meándricos. Los cuatro casos de estudio son: i) procesos de mezcla en tanques de agua potable, ii) influencia del chorro de entrada en la estratificación térmica en tanques de agua caliente, iii) flujo turbulento y mezcla en canales con meandros, y iv) flujo turbulento y mezcla en canales con meandros inundables. El trabajo desarrollado está centrado en un contexto práctico donde, a partir de casos concretos, se buscan los métodos y modelos más adecuados en cada uno de ellos. A tal efecto, se han desarrollado simulaciones de ensayos llevados a cabo en cada uno de los casos de estudio. Aunque los datos experimentales empleados fueron generados por diferentes equipos de investigación, en todo momento existió una estrecha relación y colaboración con todos los grupos. Dichos datos experimentales sirvieron para validar los modelos y, en conjunto, para estudiar en profundidad el problema. El trabajo en el que se analiza el primero de los cuatro casos muestra un procedimiento para el estudio de dinámica de fluidos de los procesos de mezcla en tanques de agua potable. El procedimiento puede aplicarse en el diseño y mejora de de estos elementos mediante la técnica URANS junto con métodos experimentales. En el segundo caso, las simulaciones URANS en el tanque de agua caliente permitieron determinar la distribución de temperatura en todo el dominio computacional. Además, el modelo, validado con un alto nivel de ajuste, fue desarrollado para el estudio de la influencia de algunas configuraciones de entrada y mejorar el grado de estratificación inicial. Con el tercer caso de estudio, se ha mostrado la idoneidad de la técnica LES en el estudio en profundidad del flujo y la turbulencia en meandros, incluso habiendo empleado mallas relativamente gruesas. La mayor influencia de los flujos secundarios (resultado de la forma curva del canal) sobre el proceso de mezcla ha podido ser clarificada. Por último, la técnica LES resultó ser muy eficaz a la hora de ampliar la información disponible sobre el flujo y la turbulencia en meandros con diferentes planos de inundación. Se obtuvo una muy buena concordancia con los datos experimentales, pese al uso de mallas relativamente gruesas. El proceso de mezcla entre el flujo de la inundación y el del meandro ha podido ser observado con mayor claridad. / Els processos de mescla estan presents tant en el camp de l'enginyeria hidràulica com en el del medi ambient i apareixen en infinitat de situacions que són de gran interès per a l'ésser humà. Els mecanismes que governen aquests processos poden ser molt diversos i complexos, podent interaccionar entre si. No obstant això, quan un fluid té un comportament turbulent, aquest és altament inestable i tridimensional, modificant en gran mesura els altres mecanismes de mescla. En aquests casos, la resolució amb mètodes clàssics de la mecànica de fluids pot arribar a ser extremadament difícil, sent necessari utilitzar aproximacions o models. D'altra banda, en els últims anys, s'ha avançat molt en les tècniques de simulació numèrica, i juntament amb l'augment de la velocitat i capacitat computacional, la Dinàmica de Fluids Computacional (en Anglès Computational Fluids Dynamics, CFD) permet desenvolupar simulacions d'aquests complexos processos. Aquesta Tesi Doctoral està motivada per la importància d'analitzar mitjançant mètodes numèrics la física del flux turbulent en diferents processos de mescla d'interès en el camp de l'enginyeria hidràulica i la mecànica de fluids mediambiental. Es pretén il¿lustrar la utilitat i potencialitat de la CFD a través de l'aplicació i anàlisi a quatre casos concrets, agrupats en dos grups de processos de mescla: els dominats per un doll turbulent d'entrada en un tanc d'aigua i els dominats per les estructures turbulentes degudes a la pròpia geometria corba dels canals meàndrics. Els quatre casos d'estudi són: i) processos de mescla en tancs d'aigua potable, ii) influència del doll d'entrada en l'estratificació tèrmica en tancs d'aigua calenta, iii) flux turbulent i mescla en canals amb meandres, i iv) flux turbulent i mescla en canals amb meandres inundables. El treball desenvolupat està centrat en un context pràctic on, a partir de casos concrets, es busquen els mètodes i models més adequats en cadascun d'ells. A aquest efecte, s'han desenvolupat simulacions d'experiments duts a terme en cadascun dels casos d'estudi. Tot i que les dades experimentals emprats van ser generats per diferents equips d'investigació, en tot moment va existir una estreta relació i col¿laboració amb tots els grups. Aquests dades experimentals varen servir per validar els models i, en conjunt, per estudiar en profunditat el problema. El treball en el qual s'analitza el primer dels quatre casos mostra un procediment per a l'estudi de dinàmica de fluids dels processos de mescla en tancs d'aigua potable. El procediment pot aplicar-se en el disseny i millora d'aquests elements mitjançant la tècnica URANS juntament amb mètodes experimentals. En el segon cas, les simulacions URANS en el tanc d'aigua calenta van permetre determinar la distribució de temperatura en tot el domini computacional. A més, el model, validat amb un alt nivell d'ajust, va ser desenvolupat per a l'estudi de la influència d'algunes configuracions d'entrada i millorar el grau d'estratificació inicial. En el tercer cas d'estudi, s'ha mostrat la idoneïtat de la tècnica LES en l'estudi en profunditat del flux i la turbulència en meandres, fins i tot havent emprat malles relativament gruixudes. La major influència dels fluxos secundaris (resultat de la forma corba del canal) sobre el procés de mescla ha pogut ser aclarida. Per últim, la tècnica LES va resultar ser molt eficaç a l'hora d'ampliar la informació disponible sobre el flux i la turbulència en meandres amb diferents plànols d'inundació. Es va obtenir una molt bona concordança amb les dades experimentals, malgrat l'ús de malles relativament gruixudes. El procés de mescla entre el flux de la inundació i el del meandre ha pogut ser observat amb major claredat. / Moncho Esteve, IJ. (2017). Procesos de Mezcla en Flujos Turbulentos con Técnicas de la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90573 / Compendio

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

Tesis por compendio / [ES] La disponibilidad de recursos hídricos a nivel mundial ha disminuido significativamente. Entre los principales agentes que han provocado esta situación se encuentran el cambio climático, la contaminación ambiental, las actividades humanas y las fallas en las estructuras hidráulicas, entre otros. Cada vez es más complicado acceder a fuentes apropiadas que cumplan con la calidad y cantidad del recurso. A pesar de ello, la pérdida de agua debida a fugas en sistemas de distribución presurizados todavía maneja valores considerables, con pérdidas significativas a nivel mundial. Teniendo en cuenta que la necesidad de agua es cada vez mayor, se deben implementar proyectos sostenibles que permitan optimizar al máximo la disponibilidad y el uso del recurso. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una propuesta metodológica, que permita estimar las curvas características de las bombas que trabajan como turbinas (PATs) a partir del número específico de la máquina y en función de la velocidad de giro, desarrollando las leyes modificadas de semejanza. El cumplimiento de los objetivos de esta tesis es a través de la elaboración de tres artículos publicados, que permitieron: (i) Realizar la contextualización respecto al estado del arte en PATs con énfasis en las metodologías de obtención de la predicción del comportamiento en las mismas tales como la realización de modelos numéricos con CFDs; (ii) Proponer una nueva estrategia para desarrollar un modelo matemático para bombas que funcionan como turbinas (PATs), considerando las leyes de afinidad modificadas; (iii) Ejecutar la modelación numérica a través del paquete de código libre OpenFOAM de una bomba que trabaja como turbina y , (iv)Validar los resultados , tanto de la aplicación de las nuevas expresiones y de la modelación numérica, a través de la comparación con resultados experimentales obtenidos de los ensayos realizados a una PATs. En el Articulo 1, que corresponde a la Fase de Contextualización, se realizó una investigación en la literatura técnica sobre PATs: Características, aplicaciones y diferentes estrategias utilizadas para comprender el comportamiento del flujo. Dentro de estas estrategias, se encuentra la simulación numérica del fenómeno con paquetes CFD (Dinámica Fluido Computacional). Se analizaron 56 casos donde se estudian diferentes tipos de máquinas: axiales, mixtas y radiales bajo operación con velocidad de giro fija y velocidad de giro variable. En función de esta información se calculó el error entre la modelación numérica y los resultados experimentales; y se verificaron las principales características de las modelaciones tales como paquete CFD utilizado, modelos de cierre, tipo de mallado, etc. En el Artículo 2, que corresponde a la primera parte de la Fase del Procedimiento Analítico, se propuso un análisis con diez expresiones generales (polinómicas y exponenciales), considerando las variables más significativas. En función de este análisis se obtuvieron nuevas expresiones para obtener las curvas características de las PATs. Estas expresiones se verificaron y compararon con 15 máquinas diferentes, que se probaron variando su velocidad de rotación y su velocidad específica. En la segunda parte de la Fase del Procedimiento Analítico, se realizó una simulación numérica con el paquete CFD OpenFOAM de una PATs que ha sido ensayada en el instituto CERIS de Portugal. Por medio de los resultados experimentales se logró validar tanto las nuevas expresiones propuestas en el Artículo 2 así como la modelación numérica. En el Artículo 3 se presenta el desarrollo de esta metodología. / [CA] La disponibilitat de recursos hídrics a nivell mundial ha disminuït significativament. Entre els principals agents que han provocat aquesta situació es troben el canvi climàtic, la contaminació ambiental, les activitats humanes i les falles en les estructures hidràuliques, entre altres. Cada vegada és més complicat accedir a fonts apropiades que complisquen amb la qualitat i quantitat del recurs. Malgrat això, la pèrdua d'aigua deguda a fugides en sistemes de distribució pressuritzats encara maneja valors considerables, amb pèrdues significatives a nivell mundial. Tenint en compte que la necessitat d'aigua és cada vegada major, s'han d'implementar projectes sostenibles que permeten optimitzar al màxim la disponibilitat i l'ús del recurs. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una proposta metodològica, que permeta estimar les corbes característiques de les bombes que treballen com a turbines (PATs) a partir del número específic de la màquina i en funció de la velocitat de gir, desenvolupant les lleis modificades de semblança. El compliment dels objectius d'aquesta tesi és a través de l'elaboració de tres articles publicats, que van permetre: (i) Realitzar la contextualització respecte a l'estat de l'art en PATs amb èmfasi en les metodologies d'obtenció de la predicció del comportament en les mateixes com ara la realització de models numèrics amb CFDs; (ii) Proposar una nova estratègia per a desenvolupar un model matemàtic per a bombes que funcionen com a turbines (PATs), considerant les lleis d'afinitat modificades; (iii) Executar el modelatge numèric a través del paquet de codi lliure OpenFOAM d'una bomba que treballa com a turbina i , (iv)Validar els resultats , tant de l'aplicació de les noves expressions i del modelatge numèric, a través de la comparació amb resultats experimentals obtinguts dels assajos realitzats a una PATs. En l'Articule 1 , que correspon a la Fase de Contextualització, es va realitzar una investigació en la literatura tècnica sobre PATs: Característiques, aplicacions i diferents estratègies utilitzades per a comprendre el comportament del flux. Dins d'aquestes estratègies, es troba la simulació numèrica del fenomen amb paquets CFD (Dinàmica Fluid Computacional). Es van analitzar 56 casos on s'estudien diferents tipus de màquines: axials, mixtes i radials sota operació amb velocitat de gir fixa i velocitat de gir variable. En funció d'aquesta informació es va calcular l'error entre el modelatge numèric i els resultats experimentals; i es van verificar les principals característiques. dels modelatges com ara paquet CFD utilitzat, models de tancament,tipus d'emmallat, etc. En l'Article 2, que correspon a la primera part de la Fase del Procediment Analític, es va proposar una anàlisi amb deu expressions generals (polinòmiques i exponencials), considerant les variables més significatives. En funció d'aquesta anàlisi es van obtindre noves expressions per a obtindre les corbes característiques de les PATs. Aquestes expressions es van verificar i van comparar amb 15 màquines diferents, que es van provar variant la seua velocitat de rotació i la seua velocitat específica. En la segona part de la Fase del Procediment Analític, es va realitzar una simulació numèrica amb el paquet CFD OpenFOAM d'una PATs que ha sigut assajada en l'institut CERIS de Portugal. Per mitjà dels resultats experimentals es va aconseguir validar tant les noves expressions proposades en l'Article 2 així com el modelatge numèric. En l'Article 3 es presenta el desenvolupament d'aquesta metodologia. / [EN] The availability of water resources worldwide has decreased significantly. Among the main agents that have caused this situation are climate change, environmental pollution, human activities, and failures in hydraulic structures, among others. It is becoming increasingly difficult to access appropriate sources that meet the quality and quantity of the resource. Despite this, water loss due to leaks in pressurized distribution systems still manages considerable values, with significant losses worldwide. Considering that the need for water is increasing, sustainable projects should be implemented to optimize the availability and use of the resource to the maximum. The main objective of this thesis is to develop a methodological proposal that allows estimating the characteristic curves of pumps that work as turbines (PATs) from the specific number of the machine and, depending on the rotation speed, developing the modified laws of similarity. The fulfillment of the objectives of this thesis is through the elaboration of three published articles, which allowed: (i) To carry out the contextualization regarding the state of the art in PATs with emphasis on the methodologies of obtaining the prediction of the behavior in them such as the realization of numerical models with CFDs; (ii) To propose a new strategy to develop a mathematical model for pumps that work as turbines (PATs), considering the modified affinity laws; (iii) To execute the numerical modeling through the OpenFOAM free code package of a pump that works as a turbine and, (iv) Validate the results, both of the application of the new expressions and the numerical modeling, through the comparison with experimental results obtained from the tests carried out to a PATs. In Article 1, corresponding to the Contextualization Phase, an investigation was carried out in the technical literature on PATs: Characteristics, applications, and different strategies used to understand the flow behavior. The numerical simulation of the phenomenon with CFD (Computational Fluid Dynamics) packages is found within these strategies. 56 cases were analyzed where different types of machines were studied: axial, mixed, and radial under operation with fixed rotational speed and variable rotational speed. Based on this information, the error between the numerical modeling and the experimental results was calculated; and the main characteristics of the modeling were verified, such as the CFD package used, closure models, type of meshing, etc. In Article 2, which corresponds to the first part of the Phase of the Analytical Procedure, an analysis was proposed with ten general expressions (polynomial and exponential), considering the most significant variables. Based on this analysis, new expressions were obtained to obtain the characteristic curves of the PATs. These expressions were verified and compared with 15 different machines, which were tested by varying their rotation and specific speeds. In the second part of the Analytical Procedure Phase, a numerical simulation was performed with the OpenFOAM CFD package of a PATs that has been tested at the CERIS Institute in Portugal. The experimental results made it possible to validate both the new expressions proposed in Article 2 and the numerical modeling. The development of this methodology is presented in Article 3. / Plua Aguirre, FA. (2024). Metodología de análisis para la mejora de la predicción de las curvas características de bombas trabajando como turbina operando a velocidad variable [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203125 / Compendio

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

[ES] En la sociedad actual hay cada vez una mayor conciencia de la importancia del calentamiento global. Esta preocupación se ve reflejada por los poderes legislativos de las naciones occidentales en normativas de emisiones cada vez más restrictivas. En este contexto, la industria automovilísitca se ha visto fuertemente incentivada a desarrollar motores térmicos más eficientes e incluso a explorar nuevas soluciones propulsivas, como el motor eléctrico. Para mejorar la eficiencia energética de los motores de combustión interna alternativos se emplea la reducción de los motores. Esto ha obligado a los compresores a trabajar en condiciones, en las que su emisión acústica llega a ser problemática. La revisión bibliográfica llevada a cabo en esta tesis muestra que sigue sin haber consenso acerca de la causa de ciertas componentes del espectro, como los ruidos de banda ancha conocidos cono whoosh y Tip Clearance Noise (TCN). La influencia en el ruido de la geometría de los conductos de entrada al compresor está asimismo poco explorada. Esta tesis presenta una metodología computacional de análisis del campo de flujo que permite la identificación de las estructuras de flujo responsables de las componentes espectrales más relevantes, así como el análisis de la influencia en éstas de las condiciones de operación y las geometrías de entrada. El campo de presión en el interior del compresor se analiza mediante técnicas de descomposición modal. Éstas permiten identificar patrones espaciales y asociarlos a las frecuencias del espectro medido de forma objetiva. Posteriormente se identifica las estructuras de flujo correspondientes a dichos patrones, y su evolución con las condiciones de operación y la geometría de entrada. Mediante la aplicación de la metodología descrita se describe los diferentes mecanismos de generación de los ruidos tonales en el inductor y el borde de fuga del rotor. En cuanto a los ruidos de banda ancha mencionados, los vórtices encontrados aguas arriba del inductor generan oscilaciones en la banda de frecuencias del whoosh, y favorecen el desprendimiento rotativo, que contribuye a dicho ruido en el difusor y la voluta. La carga no estacionaria sobre la superficie de los álabes es identificada como un importante contribuidor al ruido TCN. La influencia de las condiciones de operación en la generación de ruido se manifiesta a través de la intensidad del flujo inverso en el inductor. La aparición de este flujo inverso es característica de los puntos de bajo gasto másico, aunque se sigue apreciando, con menor intensidad, en algunos puntos de alto gasto. El flujo inverso inhibe las condiciones sónicas en el borde de ataque, debilitando el ruido tonal a la frecuencia de paso de álabe. En cuanto a los ruidos de banda ancha, el flujo inverso es la causa de los vórtices en el inductor que producen el ruido whoosh y el despegue rotativo, y además promueve la carga no estacionaria de los álabes, asociada con el TCN. El papel de la geometría del conducto de entrada en el ruido depende de su grado de interacción con los vórtices del inductor. En aquellas geometrías que limitan la extensión aguas arriba de los vórtices del inductor, como los codos con radio de curvatura reducido, tiene lugar una interacción intensa de los vórtices con las paredes del conducto y con otros vórtices. Ello está correlacionado con un aumento del ruido whoosh. Los conductos de entrada que están suficientemente separados de los vórtices, intervienen en el ruido solamente a través de sus propiedades de transmisión de las oscilaciones acústicas generadas en el rotor y el difusor. Al final de la tesis se reflexiona sobre las contribuciones de los resultados expuestos al estado del arte de la investigación en el ruido de compresores. Además, se propone nuevas líneas de investigación para extender la metodología presentada, y completar el conjunto de condiciones de funcionamiento y geometrías de entrada analizadas en este trabajo. / [CA] En la societat actual hi ha cada vegada una major consciència de la importància del calfament global. Aquesta preocupació es veu reflectida pels poders legislatius de les nacions occidentals en normatives d'emissions cada vegada més restrictives. En aquest context, la indústria de l'automòbil s'ha vist fortament incentivada a desenvolupar motors tèrmics més eficients i fins i tot a explorar noves solucions propulsives, com el motor elèctric. La tendència adoptada per a millorar l'eficiència energètica dels motors de combustió interna alternatius és la reducció de la grandària dels motors. Això ha obligat els compressors a treballar en condicions més extremes, en les quals la seua emissió acústica arriba a ser problemàtica. La revisió bibliogràfica duta a terme en aquesta tesi mostra que segueix sense haver-hi consens sobre la causa d'unes certes components de l'espectre, com els sorolls de banda ampla coneguts con whoosh i Tip Clearance Noise (TCN). La influència en el soroll de la geometria dels conductes d'entrada al compressor està així mateix poc explorada. Aquesta tesi presenta una metodologia computacional d'anàlisi del camp de flux que permet la identificació de les estructures de flux responsables de les components espectrals més rellevants, així com l'anàlisi de la influència en aquestes de les condicions d'operació i les geometries d'entrada. El camp de pressió a l'interior del compressor s'analitza mitjançant tècniques de descomposició modal. Aquestes permeten identificar patrons espacials i associar-los a les freqüències de l'espectre mesurat de manera objectiva. Posteriorment s'identifica les estructures de flux corresponents a aquests patrons, i la seua evolució amb les condicions d'operació i la geometria d'entrada. Mitjançant l'aplicació de la metodologia descrita es descriu els diferents mecanismes de generació dels sorolls tonals en l'inductor i la vora de fugida del rotor. Quant als sorolls de banda ampla esmentats, els vòrtexs trobats aigües amunt de l'inductor generen oscil·lacions en la banda de freqüències del whoosh, i afavoreixen el despreniment rotatiu, que contribueix a aquest soroll en el difusor i la voluta. La càrrega no estacionària sobre la superfície dels àleps és identificada com un important contribuïdor al soroll TCN. La influència de les condicions d'operació en la generació de soroll es manifesta a través de la intensitat del flux invers en l'inductor. L'aparició d'aquest flux invers és característica dels punts de baixa despesa màssica, encara que es continua apreciant, amb menor intensitat, en alguns punts d'alta despesa. El flux invers inhibeix les condicions sòniques en la vora d'atac, afeblint el soroll tonal a la freqüència de pas d'àlep. Quant als sorolls de banda ampla, el flux invers és la causa dels vòrtexs en l'inductor que produeixen el soroll whoosh i el despreniment rotatiu, i a més promou la càrrega no estacionària dels àleps, associada amb el TCN. El paper de la geometria del conducte d'entrada en el soroll depén del seu grau d'interacció amb els vòrtexs de l'inductor. En aquelles geometries que limiten l'extensió aigües amunt dels vòrtexs de l'inductor, com els colzes amb radi de curvatura reduït, té lloc una interacció intensa dels vòrtexs amb les parets del conducte i amb altres vòrtexs. Això està correlacionat amb un augment del soroll whoosh. Els conductes d'entrada que estan prou separats dels vòrtexs, intervenen en el soroll solament a través de les seues propietats de transmissió de les oscil·lacions acústiques generades en el rotor i el difusor. Al final de la tesi es reflexiona sobre les contribucions dels resultats exposats a l'estat de l'art de la investigació en el soroll de compressors. A més, es proposa noves línies d'investigació per a estendre la metodologia presentada, i completar el conjunt de condicions de funcionament i geometries d'entrada analitzades en aquest treball. / [EN] In today's society, there is a growing awareness of the importance of global warming. This concern is reflected by the legislative powers of Western nations in increasingly restrictive emissions regulations. In this context, the automotive industry has been strongly encouraged to develop more efficient thermal engines and even to explore new propulsion solutions, such as the electric motor. The trend adopted to improve the energy efficiency of reciprocating internal combustion engines is the reduction of engine size. This has forced compressors to work in more extreme conditions, where their acoustic emission becomes troublesome. The literature review carried out in this thesis shows that in the last two decades, there has been a great boom of research in the acoustics of radial turbocharger compressors. Despite the progress made, there is still no consensus about the cause of specific spectrum components, such as the broadband noises known as whoosh and Tip Clearance Noise (TCN). The influence of compressor inlet duct geometry on noise is also scarcely explored. This thesis presents a computational methodology of flow field analysis that allows the identification of the flow structures responsible for the most relevant spectral components and the analysis of the influence of operating conditions and inlet geometries on them. The pressure field inside the compressor is analyzed through modal decomposition techniques. These allow identifying spatial patterns and associating them to the frequencies of the measured spectrum in an objective manner. Subsequently, the flow structures corresponding to these patterns are identified, and their evolution with the operating conditions and the inlet geometry is analyzed. Through the application of the described methodology, the different mechanisms of generation of the tonal noises in the inducer and the impeller trailing edge are identified. While the former is related to the sonic conditions at the leading edge, the latter is excited by the asymmetric pressure field in the diffuser. As for the aforementioned broadband noises, the vortices encountered upstream of the inducer generate oscillations in the whoosh frequency band and favor rotating stall, contributing to such noise in the diffuser and volute. Unsteady blade surface loading is identified as an important contributor to TCN noise. The influence of operating conditions on noise generation manifests through the intensity of the backflow in the inducer. The occurrence of backflow is characteristic of low mass flow points, although it is also found, with less intensity, at some higher mass flow points. The backflow inhibits the sonic conditions at the leading edge, weakening the tonal noise at the blade passing frequency. As for broadband noise, reverse flow is the cause of vortices in the inducer that produce whoosh noise and rotating stall. It also promotes the unsteady blade loading associated with TCN. The role of the inlet duct geometry in the noise depends on its degree of interaction with the inducer vortices. In geometries that limit the upstream extent of these vortices, such as low curvature radii elbows, intense interaction of the vortices with the duct walls and other vortices occurs. This is correlated with an increase in whoosh noise. Inlet ducts that are sufficiently separated from the vortices only affect noise through their transmission properties regarding acoustic oscillations generated in the impeller and diffuser. At the end of the thesis, reflections are offered on the contributions of the results to the current knowledge on compressor noise. In addition, new lines of research are proposed to extend the methodology presented and to complete the set of operating conditions and inlet geometries analyzed in this work. / Roig Villanueva, F. (2023). On the Influence of Inlet Geometry on Turbocharger Compressor Noise [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192264

[EN] The study, monitoring and control of environmental phenomena such as the air pollution, climate control or homogenization temperature and humidity indoors, or understanding and extinguishing forest fires pose a constant challenge to the personnel responsible and especially to the researchers. Compete this problematic economic sectors where greenhouse crops, post-harvest cameras, chillers tractor ruminant farms, smart buildings, urban environmental studies, among many others used. In all of them there is a concern for consistency in production, for energy efficiency and environmental impact generated. It is for this homogenization, dispersion and stratification of climate variables and gases, closely related to the ventilation of outdoor spaces and venues of interest. For the understanding of physical phenomena that are generated and subsequent improvement in the structural design and automatic systems, we need a modeling and energy analysis, there are currently several methods: tracer gas techniques, intensive data collection accompanied with box-empirical modeling Black and resolution simulation of physical laws that govern the behavior of study spaces. Previous techniques independently are insufficient to provide practical solutions and are costly or highly particularized to the case study. That is why the technique Fluid Dynamics Computer (CFD), as a tool that is used to numerically solve the equations of continuity and momentum that govern energy exchange system in order to obtain the fields of speed and direction airflow, the distribution of temperature, humidity and specific gases, becomes viable for later models were used with advanced control systems. However, the CFD technique requires a validation of the results with intensive shooting (space-time) data. Most published studies refer in their conclusions to the need for such validation of the data produced and how it is done. This document, by means of case studies, seeks to address the complexity of some environmental phenomena using models with the technique of CFD, whose validation also requires a protocol systematically executed a System Data Acquisition (DAS) spatially distributed and temporally controlled, which is achieved with the design and installation of a Wireless Sensor Network (WSN). Then it finds a first justification case where having the need to study the homogenization of the microclimate of a greenhouse, a DAS is created through the integration of different technologies wired. It shows in addition to extensive technical development, an urgent need to move to a non-wired technology to achieve the spatial coverage required in rooms or spaces with greater volume. It is followed by a case study in the laboratory, which seeks to understand the distribution and stratification of a gas in a chamber with controlled ventilation. Using a CFD model, which in turn feeds and validated with a database generated from a gas sensor WSN becomes. Then, a case study where space analysis moves to a real environment and highly complex, as it is a street in the city of Valencia, Spain. / [ES] El estudio, monitoreo y control de fenómenos ambientales como lo es la contaminación atmosférica, el control del clima o la homogenización de la temperatura y la humedad en recintos cerrados, o el entendimiento y extinción de incendios forestales, plantean un reto constante a el personal responsable y especialmente a los investigadores. Compete esta problemática a sectores económicos donde se utilice cultivos bajo invernadero, cámaras de pos-cosecha, cámaras de refrigeración de tractores, explotaciones de rumiantes, edificaciones inteligentes, estudios ambientales urbanos, entre muchos otros. En todas ellas existe una preocupación por la uniformidad en la producción, por una eficiencia energética y por el impacto ambiental que se genera. Se encuentra pues dicha homogenización, dispersión y estratificación de las variables climáticas y de los gases, íntimamente relacionada con la ventilación de los espacios exteriores y los recintos de interés. Para la comprensión de los fenómenos físicos que se generan y posterior mejora del diseño estructural y de los sistemas automáticos, es necesario un modelado y estudio energético, existiendo actualmente varias metodologías: Técnicas con gas trazador, toma intensiva de datos acompañada con modelado empírico tipo caja negra, y simulación por resolución de las leyes físicas que gobiernan el comportamiento de los espacios de estudio. Las anteriores técnicas de forma independiente resultan insuficientes para dar soluciones prácticas, y resultan costosas o altamente particularizadas al caso de estudio. Es por ello que la técnica de Dinámica de Fluidos Computacionales (CFD), como herramienta que se emplea para resolver numéricamente las ecuaciones de continuidad y de momento que rigen los intercambios energéticos de un sistema con el fin de obtener los campos de velocidad y de dirección del flujo de aire, la distribución de la temperatura, de la humedad y de gases específicos, se hace viable para obtener los modelos que posteriormente se utilizaran con sistemas de control avanzado. Sin embargo, la técnica CFD requiere de una validación de los resultados con una toma (espacio-tiempo) intensiva de datos. La mayoría de los trabajos publicados hacen referencia en sus conclusiones a la necesidad de dicha validación de los datos arrojados y la forma en la que se hace. El presente documento, por medio de unos casos de estudio, busca abordar la complejidad de algunos fenómenos ambientales haciendo uso de modelos con dicha técnica de CFD, cuya validación exige además de un protocolo sistemáticamente ejecutado, un Sistema de Adquisición de Datos (DAS) espacialmente distribuido y temporalmente controlado, lo cual se alcanza con el diseño e instalación de una Red Inalámbrica de Sensores (WSN). Se encuentra entonces un primer caso justificativo, donde teniendo la necesidad del estudio de la homogenización del microclima de un invernadero, se genera un DAS gracias a la integración de diferentes tecnologías cableadas. Demuestra además de un extenso desarrollo técnico, una imperiosa necesidad de pasar a una tecnología no cableada para lograr la cobertura espacial requerida en recintos o espacios con mayor volumen. Le sigue un caso de estudio a nivel de laboratorio, donde se busca entender la distribución y estratificación de un gas en un recinto con ventilación controlada. Se hace uso de un modelo con CFD, que a su vez se alimenta y valida con un banco de datos generado gracias a una WSN con sensores de gases. Luego, un caso de estudio donde el espacio de análisis se traslada a un ambiente real y con alta complejidad, como lo es una calle de la ciudad de Valencia, España. / [CA] L'estudi, monitoratge i control de fenòmens ambientals com és la contaminació atmosfèrica, el control del clima o l'homogeneïtzació de la temperatura i la humitat en recintes tancats, o l'enteniment i extinció d'incendis forestals, plantegen un repte constant al personal responsable i especialment als investigadors. Competeix aquesta problemàtica a sectors econòmics on s'utilitza cultius sota hivernacle, càmeres de pos-collita, cambres de refrigeració de tractors, explotacions de remugants, edificacions intel ligents, estudis ambientals urbans, entre molts altres. En totes elles hi ha una preocupació per la uniformitat en la producció, per una eficiència energètica i per l'impacte ambiental que es genera. Es troba doncs aquesta homogeneïtzació, dispersió i estratificació de les variables climàtiques i dels gasos, íntimament relacionada amb la ventilació dels espais exteriors i els recintes d'interès. Per a la comprensió dels fenòmens físics que es generen i posterior millora del disseny estructural i dels sistemes automàtics, cal un modelatge i estudi energètic, existint actualment diverses metodologies: Tècniques amb gas traçador, presa intensiva de dades acompanyada amb modelatge empíric tipus caixa negra, i simulació per resolució de les lleis físiques que governen el comportament dels espais d'estudi. Les anteriors tècniques de forma independent resulten insuficients per donar solucions pràctiques, i resulten costoses o altament particularitzades al cas d'estudi. És per això que la tècnica de dinàmica de fluids Computacionals (CFD), com a eina que s'uilitilza per resoldre numèricament les equacions de continuïtat i de moment que regeixen els intercanvis energètics d'un sistema per tal d'obtindre els camps de velocitat i de direcció del flux d'aire, la distribució de la temperatura, de la humitat i de gasos específics, es fa viable per obtindre els models que posteriorment s'utilitzaran amb sistemes de control avançat. No obstant això, la tècnica CFD requereix d'una validació dels resultats amb una presa (espai-temps) intensiva de dades. La majoria dels treballs publicats fan referència en les seves conclusions a la necessitat d'aquesta validació de les dades llançats i la forma en què es fa. El present document, per mitjà d'uns casos d'estudi, busca abordar la complexitat d'alguns fenòmens ambientals fent ús de models amb aquesta tècnica de CFD, la validació exigeix a més d'un protocol sistemàticament executat, un Sistema d'Adquisició de Dades (DAS) espacialment distribuït i temporalment controlat, la qual cosa s'aconsegueix amb el disseny i instal lació d'una Xarxa Sense fil de Sensors (WSN). Es troba llavors un primer cas justificatiu, on tenint la necessitat de l'estudi de l'homogeneïtzació del microclima d'un hivernacle, es genera un DAS gràcies a la integració de diferents tecnologies cablejades. Demostra a més d'un extens desenvolupament tècnic, una imperiosa necessitat de passar a una tecnologia no cablejada per aconseguir la cobertura espacial requerida en recintes o espais amb més volum. El segueix un cas d'estudi a nivell de laboratori, on es busca entendre la distribució i estratificació d'un gas en un recinte amb ventilació controlada. Es fa ús d'un model amb CFD, que al seu torn s'alimenta i valida amb un banc de dades generat gràcies a una WSN amb sensors de gasos. Després, un cas d'estudi on l'espai d'anàlisi es trasllada a un ambient real i amb alta complexitat, com ho és un carrer de la ciutat de València, Espanya. / Marulanda Tobón, A. (2016). MODELOS EN DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL PARA APLICACIONES AMBIENTALES Y SU VALIDACIÓN CON SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS BASADOS EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICAS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63461

[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 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

[ES] Teniendo en cuenta la cantidad de motores de combustión interna que se encuentran en activo actualmente, y sus potenciales emisiones de contaminación si se realizaran de forma incontrolada por el parque automovilístico, las normativas internacionales son cada vez más estrictas en cuanto a la cantidad de gases perjudiciales para el medio ambiente que pueden emitir dichos motores de manera unitaria. Debido a ello, se han ido desarrollando e implantando técnicas de reducción de contaminantes como el downsizing en el cual se reduce el tamaño del motor para reducir el consumo, la implantación de motores híbridos y la Recirculación de Gases de Escape. Esta técnica de recirculación puede abordarse de dos maneras alternativas: la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Larga inyecta dichos gases antes del compresor, mientras que la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Corta (o alta presión) los reinyecta después del compresor, en el mismo colector de admisión del motor. Dado que en ambas configuraciones se produce una inyección directa del flujo recirculado en la corriente principal, en el presente trabajo se propone un estudio numérico de la mezcla entre las corrientes de aire y gases recirculados usando un software comercial de mecánica de fluidos computacional (STAR-CCM+). En la configuración de Ruta Larga se ha propuesto en primer lugar estudiar el efecto en los parámetros globales del compresor de una entrada heterogénea compuesta por aire y gases de escape. Para ello, se han analizado 9 puntos de funcionamiento distintos, tratando de abarcar el mapa completo del compresor centrífugo con una tasa de inyección constante. Se ha demostrado, por un lado, la necesidad de un esquema transitorio de cálculo para la obtención de resultados confiables en todo el dominio del compresor. Por otro lado, se ha demostrado que, con tasas de penetración de flujo estándar, la inyección de gases recirculados no tiene un impacto reseñable en las prestaciones del compresor, con excepción de la zona de bombeo. En segundo lugar, se ha desarrollado un diseño numérico de experimentos en configuración de Ruta Larga con el objetivo de encontrar correlaciones entre la condensación generada en dichas uniones (la cual puede aparecer bajo ciertas condiciones de operación del motor) y la mezcla entre las corrientes de aire y gases de escape. Se ha demostrado que la penetración de los gases en la corriente principal es un factor clave en la condensación generada, aumentando la cantidad de mezcla entre ambas corrientes. En la configuración de Ruta Corta se han realizado estudios de configuración numérica tratando de estudiar la influencia de factores como malla, tamaño del paso temporal y modelos de turbulencia en la distribución final de los gases de escape entre los diferentes cilindros del motor. Se ha demostrado que los submodelos RANS pueden predecir la mayor parte de puntos de operación tanto en variables medias como instantáneas comparando resultados numéricos con mediciones experimentales. Fijando una configuración numérica, posteriormente se han analizado diferentes mezcladores en colectores de motores de 4 y 6 cilindros, demostrando la aplicabilidad de los índices de mezclado desarrollados y cuantificando la influencia de los diferentes efectos físicos que influyen en la distribución y mezcla de los gases de escape en la corriente principal. / [CA] Tenint en compte la quantitat de motors de combustió interna que es troben en actiu actualment, i les seues potencials emissions de contaminació si es realitzaren de manera incontrolada pel parc automobilístic, les normatives internacionals són cada vegada més estrictes quant a la quantitat de gasos perjudicials per al medi ambient que poden emetre aquests motors de manera unitària. A causa d'això, s'han anat desenvolupant i implantant tècniques de reducció de contaminants com el downsizing en el qual es redueix la grandària del motor per a reduir el consum, la implantació de motors híbrids i la Recirculació de Gasos de Fuita. Aquesta tècnica de recirculació pot abordar-se de dues maneres alternatives: la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Llarga injecta aquests gasos abans del compressor, mentre que la Recirculació de Gasos de Fuita de Ruta Curta (o alta pressió) els reinjecta després del compressor, en el mateix collector d'admissió del motor. Atés que en totes dues configuracions es produeix una injecció directa del flux recirculat en el corrent principal, en el present treball es proposa un estudi numèric de la mescla entre els corrents d'aire i gasos recirculats usant un programari comercial de mecànica de fluids computacional (STAR-CCM+). En la configuració de Ruta Llarga s'ha proposat en primer lloc estudiar l'efecte en els paràmetres globals del compressor d'una entrada heterogènia composta per aire i gasos de fuita. Per a això, s'han analitzat 9 punts de funcionament diferents, tractant d'abastar el mapa complet del compressor centrífug amb una taxa d'injecció constant. S'ha demostrat, d'una banda, la necessitat d'un esquema transitori de càlcul per a l'obtenció de resultats de confiança en tot el domini del compressor. D'altra banda, s'ha demostrat que, amb taxes de penetració de flux estàndard, la injecció de gasos recirculats no té un impacte ressenyable en les prestacions del compressor, amb excepció de la zona de bombament. En segon lloc, s'ha desenvolupat un disseny numèric d'experiments en configuració de Ruta Llarga amb l'objectiu de trobar correlacions entre la condensació generada en aquestes unions (la qual pot aparéixer sota unes certes condicions d'operació del motor) i la mescla entre els corrents d'aire i gasos de fuita. S'ha demostrat que la penetració dels gasos en el corrent principal és un factor clau en la condensació generada, augmentant la quantitat de mescla entre tots dos corrents. En la configuració de Ruta Curta s'han realitzat estudis de configuració numèrica tractant d'estudiar la influència de factors com a malla, grandària del pas temporal i models de turbulència en la distribució final dels gasos de fuita entre els diferents cilindres del motor. S'ha demostrat que els submodelos RANS poden predir la major part de punts d'operació tant en variables mitjanes com instantànies comparant resultats numèrics amb mesuraments experimentals. Fixant una configuració numèrica, posteriorment s'han analitzat diferents mescladors en col·lectors de motors de 4 i 6 cilindres, demostrant l'aplicabilitat dels índexs de barrejat desenvolupats i quantificant la influència dels diferents efectes físics que influeixen en la distribució i mescla dels gasos de fuita en el corrent principal. / [EN] Considering the amount of internal combustion engines (ICEs) existing nowadays, and the pollutants that they could potentially emit, it is no surprise that international standards are getting increasingly severe regarding the allowed limits of pollutants that can be released by such engines. For this reason, different techniques have been developed in order to diminish pollutants, as downsizing in which the engine size is reduced to decrease the consumption, the hybridation of engines and the exhaust gases recirculation (EGR). This recirculation technique can be addressed by 2 different paths: Low Pressure EGR (LP-EGR) which reintroduce the exhaust gases before the compressor, while High Pressure EGR (HP-EGR) injects exhaust gases after the compressor in the intake manifold. Since both configurations deal with a direct injection of the recirculated flow in the main stream, in the present work a numerical study of the mixing between air and EGR flows is proposed, using a commercial code of computational fluid dynamics (STAR-CCM+). In LP-EGR configuration has been proposed the study of the influence of a heterogeneous inlet (composed by air and exhaust gases) on the main performance of a centrifugal compressor. To do that, 9 different operating points have been analyzed, trying to cover the whole map of the compressor with a constant injection rate. It has been demonstrated the necessity of a transient scheme for obtaining reliable results in the complete domain of the compressor. On the other hand, it has been proved that, with standard penetration rates of the flow, EGR do not have a remarkable impact in the performance of the compressor, besides the surge zone. In LP-EGR scheme, a numerical design of experiments has been developed with the aim to find correlations between the generated volume condensation (which can appear under some operating points of the engine) and the mixing between air and exhaust gases. It has been proved that the penetration of the EGR in the main stream is a key factor in volume condensation, increasing the amount of mixing between the streams. In HP-EGR configuration, different studies of numerical configuration have been conducted trying to find the influence of factors like mesh, time-step size, and turbulence models in the final distribution of exhaust gases between the cylinders of the engine. RANS submodels have demonstrated that can predict most of the operating points both average and instantaneous variables in comparison with experimental measurements. After that, fixing a numerical setup, different mixers in 4 and 6 cylinder manifolds have been calculated, showing the applicability of the developed mixing indexes, and quantifying the influence of the different physical effects that can influence in the mixing and distribution between air and exhaust gases streams. / García Olivas, G. (2021). Numerical study of EGR mixing and distribution in a piston engine intake line [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179406

[ES] El proceso de atomización primaria es el mecanismo por el cual una vena líquida se disgrega en un ambiente gaseoso. Este proceso está presente en muchas aplicaciones de ingeniería realizando diferentes tareas. En ocasiones es un paso previo antes de ser quemado, como en la industria energética o de propulsión, donde el objetivo es extraer la energía específica del líquido. En otros sectores, como el revestimiento o la extinción de incendios, el objetivo es maximizar el área cubierta por el chorro. Sin embargo, aunque la atomización es una parte fundamental de varios procesos industriales, está lejos de comprenderse por completo. El proceso de atomización es una mezcla de fenómenos de interacción gas-líquido dentro de un campo turbulento que tiene lugar en el campo cercano, que es la región más densa del chorro. Cuando se trata de arrojar luz sobre el proceso de atomización primaria, el problema principal es la falta de teorías físicas definitivas capaces de vincular los complejos eventos de ruptura con la turbulencia. El principal obstáculo que impide investigar el proceso de atomización primaria es la incapacidad de las técnicas ópticas clásicas para proporcionar información de la región densa del chorro. Solo en los últimos años, las nuevas técnicas basadas en rayos X podrían proporcionar nueva información sobre las características de la atomización cerca de la salida de la tobera. Esto también afecta a los modelos computacionales de atomización primaria que, al no disponer de información experimental sobre la región densa, requieren una calibración precisa de sus constantes para proporcionar resultados fiables en el campo lejano. Esta tesis se centra en mejorar el conocimiento del proceso de atomización primaria, especialmente en cómo las condiciones de inyección afectan el desarrollo del chorro en el campo cercano desde dos puntos de vista diferentes. Por un lado, con un enfoque computacional usando Direct Numerical Simulations y, por otro lado, experimentalmente usando Near-Field Microscopy. El estudio computacional se centra en variar los números de Reynolds y Weber de inyección. Los resultados muestran que aumentar el número de Reynolds mejora la desintegración del líquido, mostrando un aumento de las gotas generadas y una nube de gotas más fina. Sin embargo, la falta de un perfil turbulento de flujo de entrada completamente desarrollado conduce a comportamientos inesperados en la longitud de ruptura de la vena líquida que también aumenta con el número de Reynolds. El número de gotas también aumenta cuando aumenta el número de Weber, pero los tamaños característicos de las gotas siguen siendo los mismos. La longitud de ruptura no varía, lo que sugiere que las variaciones de la tensión superficial afectan la ruptura de las gotas y los ligamentos, pero no la desintegración del núcleo líquido en sí. Con los resultados obtenidos de ambos estudios, se propone un modelo fenomenológico que predice la distribución del tamaño de gota en función de las condiciones de inyección. Además, también se ha estudiado el efecto de usar toberas elípticas. Se ha obtenido que el número de gotas detectadas aumenta en comparación con el chorro redondo manteniendo ángulos de apertura del chorro similares. Sin embargo, cuando se utilizan toberas extremadamente excéntricas, la disminución de la turbulencia del flujo de entrada contrarresta los beneficios de este tipo de inyectores. En cuanto al análisis experimental, usar Near-Field Microscopy permite magnificar la región densa y analizar las características macroscópicas del chorro. Por lo tanto, se varían las presiones de inyección y descarga, centrándose en el ángulo de apertura del chorro. Se observa el aumento esperado en el ángulo al aumentar tanto la presión de inyección como la de descarga. Sin embargo, adicionalmente, se realiza un análisis de las perturbaciones del contorno del chorro, concluyendo que, al aumentar la presión de inyección, y por lo tanto la turbulencia del flujo de / [CA] El procés d'atomització primària és el mecanisme pel qual una vena líquida es disgrega en un ambient gasós. Aquest procés és present en moltes aplicacions d'enginyeria fent diferents tasques. De vegades és un pas previ abans de ser cremat, com ara en la indústria energètica o de propulsió, on l'objectiu és extraure l'energia específica del líquid. En altres sectors, com ara el revestiment o l'extinció d'incendis, l'objectiu és maximitzar l'àrea coberta pel doll. No obstant això, tot i que l'atomització és una part fonamental de diversos processos industrials, està lluny de comprendre's per complet. El procés d'atomització és una barreja de fenòmens d'interacció gas-líquid dins d'un camp turbulent que té lloc en el camp pròxim, que és la regió més densa del doll. Quan es tracta de donar llum sobre el procés d'atomització primària, el problema principal és la falta de teories físiques definitives capaces de vincular els complexos esdeveniments de trencament amb la turbulència. El principal obstacle que impedeix investigar el procés d'atomització primària és la incapacitat de les tècniques òptiques clàssiques per a proporcionar informació de la regió densa del doll. Només en els últims anys, les noves tècniques basades en raigs X podrien proporcionar nova informació sobre les característiques de l'atomització prop de l'eixida de la tovera. Això també afecta els models computacionals d'atomització primària que, en no disposar d'informació experimental sobre la regió densa, requereixen un calibratge precís de les seues constants per a proporcionar resultats fiables en el camp llunyà. Aquesta tesi se centra a millorar el coneixement del procés d'atomització primària, especialment en com les condicions d'injecció afecten el desenvolupament del doll en el camp pròxim des de dos punts de vista diferents. D'una banda, amb un enfocament computacional usant Direct Numerical Simulations i, d'altra banda, experimentalment usant Near-Field Microscopy. L'estudi computacional se centra a variar els nombres de Reynolds i Weber d'injecció. Els resultats mostren que augmentar el nombre de Reynolds millora la desintegració del líquid, tot mostrant un augment de les gotes generades i un núvol de gotes més fi. No obstant això, la falta d'un perfil turbulent de flux d'entrada completament desenvolupat condueix a comportaments inesperats en la longitud de ruptura de la vena líquida que també augmenta amb el nombre de Reynolds. El nombre de gotes també augmenta quan creix el nombre de Weber, però les grandàries característiques de les gotes continuen sent les mateixes. La longitud de ruptura no varia, la qual cosa suggereix que les variacions de la tensió superficial afecten la ruptura de les gotes i els lligaments, però no la desintegració del nucli líquid en ell mateix. Amb els resultats obtinguts de tots dos estudis, es proposa un model fenomenològic que prediu la distribució de la grandària de gota en funció de les condicions d'injecció. A més, també s'ha estudiat l'efecte d'usar toveres el·líptiques. S'ha obtingut que el nombre de gotes detectades augmenta en comparació amb el doll redó tot mantenint angles d'obertura del doll similars. No obstant això, quan s'utilitzen toveres extremadament excèntriques, la disminució de la turbulència del flux d'entrada contraresta els beneficis d'aquesta mena d'injectors. Quant a l'anàlisi experimental, usar Near-Field Microscopy permet magnificar la regió densa i analitzar les característiques macroscòpiques del doll. Per tant, es varien les pressions d'injecció i descàrrega, tot centrant-se en l'angle d'obertura del doll. S'observa l'augment esperat en l'angle en augmentar tant la pressió d'injecció com la de descàrrega. No obstant això, addicionalment, es realitza una anàlisi de les pertorbacions del contorn del doll i es conclou que en augmentar la pressió d'injecció, i per tant la turbulència del flux d'entrada, augmenten les pertorbacions en el contorn del ruixat, especialment a pressions de descàrrega mé / [EN] The primary atomisation process is the mechanism by which a liquid vein breaks into droplets in a gaseous ambient. This process is present in many engineering applications accomplishing different tasks. Sometimes it is a previous step before being burned, as in the energy or propulsion industry, where the objective is to extract the specific energy of the liquid. In other sectors, such as the coating or fire extinction, the objective is to maximise the area covered by the droplet cloud. However, although atomisation is a fundamental part of several industrial processes, it is far from fully understood. The atomisation process is a mixture of gas-liquid interaction phenomena within a turbulent field that takes place in the near-field, which is the denser region of the spray. When trying to shed light on the primary atomisation process, the main issue is the lack of definitive physical theories able to link the complex breakup events and the turbulence. The principal impediment that prevents the investigation from breaking through the atomisation process is the inability of the classic optical techniques to provide information from the dense region of the spray. Only in the last years, newer techniques based on X-Ray could provide new information on spray characteristics near the nozzle outlet. This also affects the computational primary atomisation models that, as there is no available experimental information on the dense region, require an accurate calibration of their constants to provide reliable results on the far-field. This thesis focuses on improving the knowledge of the primary atomisation process, especially on how the injection conditions affect the spray development in the near field from two different standpoints. On the one hand, with a computational approach using Direct Numerical Simulations and on the other hand, experimentally using Near-Field Microscopy. The computational study is focused on varying the inflow Reynolds and Weber numbers. Results show that increasing the Reynolds number improves the liquid disintegration, exhibiting an increase of generated droplets and a finer droplet cloud. However, the lack of a fully developed inflow turbulent profile leads to characteristic behaviours on the breakup length of the spray that also increases with the Reynolds number. The number of droplets increases when the Weber number increases, but the characteristic droplet sizes remain the same. The breakup length does not vary, suggesting that the surface tension variations affect the droplet and ligament breakup but not the core disintegration itself. With the results obtained from both studies, a phenomenological model is proposed to predict the droplet size distribution depending on the injection conditions. Additionally, using elliptical nozzles, the number of detected droplets increases compared with the round spray and maintain similar spray apertures. However, when using extremely eccentric nozzles, the inflow turbulence decrease counteracts the elliptical sprays' benefits. Regarding the experimental analysis, the Near-Field Microscopy magnifies the dense region and analyses the macroscopic features on the spray. So the injection and discharge pressure are varied, and the spotlight is put on the spray angle. The expected increase in the spray angle when increasing both the injection and discharge pressure is observed. Nevertheless, additionally, an analysis of the spray contour perturbations is performed, concluding that increasing the injection pressure, and thus the inflow turbulence, increases the perturbations on the spray contour, especially at lower discharge pressures. / González Montero, LA. (2022). Computational and Experimental Study of the Primary Atomisation Process under Different Injection Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190635