Tesis por compendio / Through the last decades, building designers should deal with reliable design strategies to take advantage of natural resources in order to increase energy efficiency in buildings, as well as to promote sustainable development and add value to the society. This thesis proposes a reliable building design strategy to improve buildings energy efficiency by means of natural ventilation (NV) use. The strategy consists in evaluating the most suitable architectural solution in a particular case study taking into account environmental conditions and building surroundings in order to maximize NV use since the early building design stage. Computational fluid dynamics (CFD) techniques are used to conduct the research. This is a powerful design tool that permits buildings NV behaviour simulation prior to building construction. Therefore, the aim of the thesis is to provide a real case study building in which the NV design strategy is applied to show a reliable example and support building design decisions since the design stage. The design strategy is based on the use of a commercial numerical code that solves the fluid mechanic equations. The CFD software simulates the features that influence NV and predicts its behaviour in the different building configurations prior to building construction. This numerical technique allows, on the one hand, the visualization of air flow paths in buildings. On the other hand, many quantifiable parameters are calculated by the software. Through the analysis and comparison of those parameters, the best architectural solutions are chosen. With regards to all possible architectural decisions, the research is focused on the façade configuration selection and the building location. First of all, the NV design strategy feasibility is analysed in a particular region: the Mediterranean Valencian Coastal area (Spain). The region is characterized by the uniform conditions of the prevailing wind during the warm season. Then, a validated CFD simulation is used to analyse qualitatively and quantitatively the building surrounding influence on wind paths through and around buildings. The objective is to compare different façade opening positions and select the alternative that takes more profit of the NV resources available. Additionally, a general quantification of the ventilated façade contribution to buildings energy efficiency is presented under the frame of the façade configuration selection. Secondly, two simulations are conducted to analyse two different building locations. The assessment of surrounding buildings influence on building NV behaviour is done through validated CFD models. Some parameters and visualizations are proposed to be used in the quantitative and qualitative assessment of each solution respectively. Then, the best location alternative with regards to NV performance is selected. Finally, the research is concluded with the case study building full-scale construction. The indoor CFD simulation used from the beginning is then successfully validated. The NV building behaviour is also successfully verified. Additionally, contrasted performance indexes are used to evaluate indoor comfort conditions: draught risk (DR), predicted mean vote (PMV) and predicted percentage of dissatisfied people (PPD). The results show that comfort conditions can be reached more energy efficiently by means of NV use. Afterwards, it is verified how the comfortable indoor environment conditions are ensured and optimized by the NV use. Although the design strategy is applied to a particular building design, the design strategy potential is that it could be applied to all buildings. Consequently, major potential energy savings could be achieved. / Durante las últimas décadas los agentes involucrados en el diseño de edificios deben de utilizar estrategias fiables de diseño que les permitan aprovechar los recursos naturales del entorno con el objetivo de aumentar la eficiencia energética de los edificios así como promover el desarrollo sostenible y generar valor añadido para la sociedad. Esta tesis propone una estrategia de diseño fiable de edificios para mejorar su eficiencia energética mediante el uso de la ventilación natural (NV por sus siglas en inglés "natural ventilation"). La estrategia consiste en evaluar la solución arquitectónica más adecuada teniendo en cuenta las condiciones ambientales y el entorno de los edificios con el objetivo de maximizar el uso de la ventilación natural desde la fase inicial de su diseño. En esta tesis se aplica la estrategia de diseño a un caso de estudio real y particular. La estrategia de diseño se basa en el uso de un código numérico comercial que resuelve las ecuaciones de la mecánica de fluidos (CFD por sus siglas en inglés "computational fluid dynamics"). El software CFD simula las características que influyen en la ventilación natural y predice su comportamiento en los edificios antes de su construcción. Esta técnica numérica permite la visualización del flujo de aire en los edificios. Además, el software permite calcular parámetros que son analizados y comparados posteriormente para elegir la solución arquitectónica que suponga un mejor comportamiento de la ventilación natural. Con respecto a todas las decisiones arquitectónicas posibles, la investigación se centra en la selección de la ubicación del edificio y de la configuración de los huecos de su fachada. En primer lugar, se analiza la viabilidad de la estrategia de diseño en una región determinada: la zona costera Mediterránea de la Comunidad Valenciana. La región se caracteriza por las condiciones uniformes del viento predominante durante la estación cálida. A continuación, se utiliza una simulación de CFD validada para analizar cualitativamente y cuantitativamente la influencia de los edificios circundantes en los flujos del viento a través y alrededor de los edificios circundantes. El objetivo es comparar distintas posiciones de los huecos de la fachada para seleccionar la alternativa que mejor aproveche los recursos de ventilación natural disponibles. Además, se presenta en el marco de la selección de la configuración de la fachada una cuantificación general de la contribución de la fachada ventilada a la eficiencia energética de los edificios. En segundo lugar, se realizan dos simulaciones para analizar dos ubicaciones diferentes del edificio caso de estudio. La evaluación de la influencia de los edificios circundantes en el comportamiento de la ventilación natural del edificio caso de estudio se realiza mediante la utilización de modelos CFD validados. Se proponen distintos parámetros y visualizaciones para la evaluación cuantitativa y cualitativa de cada solución. A continuación se selecciona la mejor ubicación con respecto al comportamiento de la ventilación natural en el edificio caso de estudio. Finalmente, la investigación concluye con la construcción a escala real del edificio caso de estudio. Se valida con éxito la simulación CFD del interior del edificio utilizada desde la etapa de diseño. También se verifica con éxito el comportamiento de la ventilación natural del edificio. Además, se analizan las condiciones de confort interiores mediante la evaluación de los siguientes índices: riesgo de corrientes de aire (DR por sus siglas en inglés "draught risk"), voto promedio previsto (PMV por sus siglas en inglés "predicted mean vote") y el porcentaje previsto de personas insatisfechas (PPD por sus siglas en inglés "predicted percentage of dissatisfied people"). Los resultados muestran que el uso de la ventilación natural permite alcanzar, de manera más energéticamente eficiente, las / Durant les últimes dècades els agents involucrats en el disseny d'edificis utilitzen estratègies fiables de disseny que els permeten aprofitar els recursos naturals de l'entorn amb l'objectiu d'augmentar l'eficiència energètica dels edificis així com promoure el desenvolupament sostenible i generar valor afegit per la societat. Aquesta tesi proposa una estratègia fiable de disseny d'edificis per a millorar la seva eficiència energètica mitjançant l'ús de la ventilació natural (NV per les sigles en anglès "natural ventilation"). L'estratègia consisteix a avaluar la solució arquitectònica més adequada tenint en compte les condicions ambientals i l'entorn dels edificis amb l'objectiu de maximitzar l'ús de la ventilació natural des de la fase inicial del seu disseny. En aquesta tesi s'aplica l'estratègia de disseny a un cas d'estudi real i particular. L'estratègia de disseny es basa en l'ús d'un codi numèric comercial que resol les equacions de la mecànica de fluids (CFD per les sigles en anglès "computational fluid dynamics"). El programari CFD simula les característiques que influeixen en la ventilació natural i prediu el seu comportament en els edificis abans de la seva construcció. Aquesta tècnica numèrica permet la visualització del flux d'aire en els edificis. A més, el programari permet calcular paràmetres que són analitzats i comparats posteriorment per triar la solució arquitectònica que supose un millor comportament de la ventilació natural. Pel que fa a totes les decisions arquitectòniques possibles, la investigació es centra en la selecció de la ubicació de l'edifici i de la configuració de les obertures de la façana. En primer lloc, s'analitza la viabilitat de l'estratègia de disseny en una regió determinada: la zona costanera Mediterrània de la Comunitat Valenciana. La regió es caracteritza per les condicions uniformes del vent predominant durant l'estació càlida. A continuació, s'utilitza una simulació de CFD validada per analitzar qualitativament i quantitativament la influència dels edificis circumdants en els fluxos del vent a través i al voltant dels edificis circumdants. L'objectiu és comparar diferents posicions dels buits de la façana per seleccionar l'alternativa que millor aprofite els recursos de ventilació natural disponibles. A més, en el marc de la selecció de la configuració de la façana es presenta una quantificació general de la contribució de la façana ventilada a l'eficiència energètica dels edificis. En segon lloc, es realitzen dues simulacions per analitzar dues ubicacions diferents de l'edifici cas d'estudi. L'avaluació de la influència dels edificis circumdants en el comportament de la ventilació natural de l'edifici cas d'estudi es realitza mitjançant la utilització de models CFD validats. Es proposen diferents paràmetres i visualitzacions per a l'avaluació quantitativa i qualitativa de cada solució. A continuació es selecciona la millor ubicació pel que fa al comportament de la ventilació natural a l'edifici cas d'estudi. Finalment, la investigació conclou amb la construcció a escala real de l'edifici cas d'estudi. Es valida amb èxit la simulació CFD de l'interior de l'edifici utilitzada des de l'etapa de disseny. També es verifica amb èxit el comportament de la ventilació natural de l'edifici. A més, s'analitzen les condicions de confort interiors mitjançant l'avaluació dels següents índexs: risc de corrents d'aire (DR per les sigles en anglès "draught risk"), mitjana de vots previstos (PMV per les sigles en anglès "predicted mean vote") i el percentatge previst de persones insatisfetes (PPD per les sigles en anglès "predicted percentage of dissatisfied people"). Els resultats mostren que l'ús de la ventilació natural permet assolir, de manera més energèticament eficient, les condicions de confort. / Mora Pérez, M. (2017). Computational fluid dynamics (CFD) applied to buildings sustainable design: natural ventilation. Case study [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86208 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El análisis de los fenómenos transitorios durante las operaciones de llenado en conducciones de agua ha sido estudiado de manera detallada comparado con las maniobras de vaciado. En este último se encontró que no existen modelos matemáticos capaces de predecir el fenómeno. Esta investigación inicia estudiando el fenómeno transitorio generado durante el vaciado en una tubería simple, como paso previo para entender el comportamiento de las variables hidráulicas y termodinámicas durante el vaciado de agua en conducciones presurizadas de perfil irregular. Los análisis son realizados considerando dos situaciones: (i) la situación No. 1 corresponde al caso donde no hay válvulas de aire instaladas o cuando éstas han fallado por problemas operacionales o de mantenimiento, que representa la condición más desfavorable con respecto a la depresión máxima alcanzada; y (ii) la situación No. 2 corresponde al caso en donde se han instalado válvulas de aire en los puntos más elevados de la conducción para dar fiabilidad mediante el aire introducido al sistema previniendo de esta manera la depresión máxima. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un modelo matemático para predecir el comportamiento de las operaciones de vaciado. El modelo matemático es propuesto para las dos situaciones mencionadas anteriormente. La fase líquida (agua) es simulada con un modelo de columna rígida, en el cual se desprecia la elasticidad del agua y de la tubería debido a que la elasticidad del aire es mucho mayor que estas; y la interfaz aire-agua es modelada con un modelo de flujo pistón, el cual asume que la columna de agua es perpendicular a la dirección principal del flujo. La fase de aire es modelada usando tres ecuaciones: (a) un modelo politrópico basado en el comportamiento energético, que considera la expansión de las bolsas de aire; (b) la formulación de las válvulas de aire para cuantificar la magnitud del caudal de aire admitido; y (c) la ecuación de continuidad de la bolsa de aire. Un sistema ordinario de ecuaciones diferenciales es solucionado utilizando la herramienta de Simulink de Matlab. El modelo matemático es validado empleando bancos experimentales localizados en los laboratorios de hidráulica de la Universitat Politècnica de València (Valencia, España) y en el Instituto Superior Técnico de la Universidad de Lisboa (Lisboa, Portugal). Los resultados muestran que el modelo matemático predice adecuadamente los datos experimentales de las presiones de las bolsas de aire, las velocidades del agua y las longitudes de las columnas de agua. Finalmente, el modelo matemático es aplicado a un caso de estudio para mostrar su aplicabilidad a situaciones prácticas, con el fin de poder ser empleado por ingenieros para estudiar el fenómeno en conducciones reales y así tomar decisiones acerca de la planificación de esta operación. / [CA] L'anàlisi dels fenòmens transitoris durant les operacions d'ompliment en conduccions d'aigua ha sigut estudiat de manera detallada comparat amb les maniobres de buidatge. En este últim es va trobar que no hi ha models matemàtics capaços de predir el fenomen. Esta investigació inicia estudiant el fenomen transitori generat durant el buidatge en una canonada simple, com a pas previ per a entendre el comportament de les variables hidràuliques i termodinàmiques durant el buidatge d'aigua en conduccions pressuritzades de perfil irregular. Les anàlisis són realitzats considerant dos situacions: (i) la situació No. 1 correspon al cas on no hi ha vàlvules d'aire instal·lades o quan estes han fallat per problemes operacionals o de manteniment, que representa la condició més desfavorable respecte a la depressió màxima aconseguida; i (ii) la situació No. 2 correspon al cas on s'han instal·lat vàlvules d'aire en els punts més elevats de la conducció per a donar fiabilitat per mitjà de l'aire introduït al sistema prevenint d'esta manera la depressió màxima. En esta tesi doctoral s'ha desenrotllat un model matemàtic per a predir el comportament de les operacions de buidatge. El model matemàtic és proposat per a les dos situacions mencionades anteriorment. La fase líquida (aigua) és simulada amb un model de columna rígida, en el qual es desprecia l'elasticitat de l'aigua i de la canonada pel fet que l'elasticitat de l'aire és molt major que estes; i la interfície aire-aigua és modelada amb un model de flux pistó, el qual assumix que la columna d'aigua és perpendicular a la direcció principal del flux. La fase d'aire és modelada usant tres equacions: (a) un model politròpic basat en el comportament energètic, que considera l'expansió de les bosses d'aire; (b) la formulació de les vàlvules d'aire per a quantificar la magnitud del cabal d'aire admés; i (c) l'equació de continuïtat de la bossa d'aire. Un sistema ordinari d'equacions diferencials és solucionat utilitzant la ferramenta de Simulink de Matlab. El model matemàtic és validat emprant bancs experimentals localitzats en els laboratoris d'hidràulica de la Universitat Politècnica de València (València, Espanya) i en l'Institut Superior Tècnic de la Universitat de Lisboa (Lisboa, Portugal). Els resultats mostren que el model matemàtic prediu adequadament les dades experimentals de les pressions de les bosses d'aire, les velocitats de l'aigua i les longituds de les columnes d'aigua. Finalment, el model matemàtic és aplicat a un cas d'estudi per a mostrar la seua aplicabilitat a situacions pràctiques, a fi de poder ser empleat per enginyers per a estudiar el fenomen en conduccions reals i així prendre decisions sobre la planificació d'esta operació. / [EN] The analysis of transient phenomena during water filling operations in pipelines of irregular profiles has been studied much more compared to emptying maneuvers. In the literature, there is a lack of knowledge about mathematical models of emptying operations. This research starts with the analysis of a transient phenomenon during emptying maneuvers in single pipelines, which is a previous stage to understand the emptying operation in pipelines of irregular profiles. Analysis are conducted under two typical situations: (i) one corresponding to either the situation where there are no air valves installed or when they have failed due to operational and maintenance problems which represents the worse condition due to causing the lowest troughs of subatmospheric pressure, and (ii) the other one corresponding to the situation where air valves have been installed at the highest point of hydraulic installations to give reliability by admitting air into the pipelines for preventing troughs of subatmospheric pressure. Particularly, this research developed a mathematical model to predict the behavior of the emptying operations. The mathematical model is proposed for the two aforementioned situations. The liquid phase (water) is simulated using a rigid water column model (RWCM), which neglects the pipe and water elasticity given that the elasticity of the entrapped air pockets is much higher than the one from the pipe and the water. The air-water interface is simulated with a piston flow model assuming that the water column is perpendicular with the main direction of the flow. Gas phase is modeled using three formulations: (a) a polytropic model based on its energetic behavior, which considers an expansion of air pockets; (b) an air valve characterization to quantify the magnitude of admitted air flow; and (c) a continuity equation of the air. An ordinary differential equations system is solved using the Simulink tool of Matlab. The proposed model has been validated using experimental facilities at the hydraulic laboratories of the Universitat Politècnica de València, Valencia, Spain, and the Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, Lisbon, Portugal. The results show how the mathematical model adequately predicts the experimental data, including the pressure oscillation patterns, the water velocities, and the lengths of the water columns. Finally, the mathematical model is applied to a case study to show a practical application, which can be used for engineers to study the phenomenon in real pipelines to make decisions about performing of the emptying operation. / Coronado Hernández, ÓE. (2019). Transient phenomena during the emptying process of water in pressurized pipelines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/120024 / Compendio

En el presente documento se realiza un análisis económico para seleccionar el proceso de soldadura en la fabricación de un tanque de 1000 galones de acero inoxidable AISI 304 según API650 para almacenamiento de petróleo. El análisis económico se realiza para dos alternativas: en la alternativa 1 se emplea el proceso FCAW para espesores mayores a 9 mm, y el proceso GTAW para espesores menores; en la alternativa 2, se emplea una combinación de procesos GTAW-SMAW, donde se emplea GTAW como pase de raíz y SMAW como pase de relleno. En base al resultado del análisis económico se selecciona la alternativa 1; debido a que presenta mayor rendimiento y menor costo de producción. Luego, se desarrolla los procedimientos de soldadura preliminares según el código ASME IX para la alternativa seleccionada, para ello se elaboran diseños de juntas según el código de fabricación API650. Además, se selecciona el material de aporte y se establecen los parámetros de soldadura en base a bibliografía y recomendaciones de fabricantes de materiales de aporte. Asimismo, en el presente trabajo, se desarrolla los lineamientos para la calificación de los procedimientos de soldadura preliminares; se describe la cantidad y medidas de los cupones, los tipos de ensayos y los parámetros de aprobación que las pruebas deben cumplir para calificar los procedimientos propuestos. Por último, se da los lineamientos para realizar la calificación de soldadores, se describe las variables esenciales, tipos de cupón y ensayos que se requiere para realizar la calificación de soldadores.

En este proyecto de tesis, se propone obtener los SIF de un accesorio lateral con ángulo entre ramal y cabezal de 30°, 45°, 60°, 75° y 90°; el mismo que no está reforzado y no estandarizado, fabricado con tubería de acero al carbono ASTM A53 grado B, con soldadura por arco eléctrico con penetración completa, mediante el desarrollo de un modelo matemático complementado con simulaciones numéricas y calibrado con ensayos existentes en la bibliografía [9]. Esto permite la elaboración de una herramienta de selección y diseño, que muestre los SIF para una variedad de geometrías no normadas de accesorios laterales propuestos en este proyecto de tesis. Además, se propone evaluar su variación respecto a parámetros geométricos establecidos acordes a la práctica. / Tesis

El presente trabajo de investigación permite establecer un modelo analítico lineal de una junta mecánica semirrígida Victaulic estilo 77, utilizada para unir codos de radio mayor (1.5D, 3D, 5D) con tuberías rectas de acero al carbono en servicios de transporte a presión de pulpa minera. En la industria minera peruana el traslado de pulpa mediante tuberías es ampliamente utilizado, permitiendo aislar la pulpa de entornos sensibles. Sin embargo, la pulpa genera abrasión y consecuentemente desgaste en cambios de dirección, especialmente en codos. El reemplazo de estos últimos elementos casi siempre se realiza en parada de planta donde el tiempo para su sustitución es limitado. El presente trabajo, mediante el modelo antes descrito, permite garantizar un diseño de disposiciones de tuberías confiables bajo la norma ASME B31.3, donde es posible utilizar codos con uniones Victaulic estilo 77 sin ningún tipo de soporteria para algunos casos presentados, ahorrando tiempo valioso en el desmontaje y montaje. Gracias al modelo se puede establecer el nivel de flexibilidad de este tipo de juntas comparando su comportamiento con uniones de tubería rígida y flexible, lo que permite concluir que este tipo de conexión se apega más al comportamiento de una unión flexible, próxima a un tipo de unión articulada. Adicionalmente, con los resultados se obtienen recomendaciones de ubicación y cantidad de soportes para tuberías rectas e instalaciones que involucran codos de radio superior. Estas recomendaciones permiten diseñar los soportes estructurales típicos donde realmente son necesarios. / Tesis

Kuramoto-Sivashinsky equation in a two dimensional slab with infinite walls and advection by external flow is considered. Stationary front solutions were then found using the shooting method with simple Euler method and oscillatory front solutions were solved with simple Euler method. Numerical results for both were analyzed, finding the solutions for stationary fronts including external flow, Couette and Poiseuille. A modified Kuramoto-Sivashinsky equation, similar to the equation used to described solitary waves was also considered and the effect it had on stationary fronts with and without external flow was also explored. For oscillatory solutions, the front profiles and the phase space diagrams were calculated, a bifurcation diagram was also analyzed for no external flow as well as for fronts advected by Poiseuille and Couette external flow, and good agreement with Feigenbaum’s number was found in all cases.

En el presente trabajo se desarrolla una metodología para determinar a la configuración de mínimas pérdidas entre 3 combinaciones distintas de ángulos tobera-aguja de una turbina Pelton: 110°-70°, 100°-70° y 110°-80°. Para ello, se simularon los 3 casos para un caudal de 33 l/s y un salto neto de 15 m en el paquete CFD Ansys Fluent. Se identificaron y modelaron las geometrías para cada caso, las cuales fueron subdivididas en mallas de elementos finitos más pequeños. El software resolvió las principales ecuaciones gobernantes de Mecánica de Fluidos (continuidad, cantidad de movimiento, turbulencia, entre otras) en cada elemento finito para poder determinar las pérdidas correspondientes a cada caso. Se encontró que la configuración de mínimas pérdidas es la de 110°-70° con unas pérdidas del 4.49% respecto de la presión total de entrada. Se contrastaron los resultados del presente estudio con los obtenidos por distintas fuentes. Finalmente, dado que se obtuvieron resultados similares a las fuentes, se valida la metodología. Se hubiera podido obtener resultados más similares y precisos de haber contado con mayores recursos computacionales.

La combustión representa en la actualidad una de las principales fuentes de generación de energía en el mundo. A pesar de las ventajas significativas de los procesos de combustión, estos traen consigo un problema crítico relacionado con la emisión de contaminantes que impactan directamente en la salud y el medio ambiente. Estudios continuos son por lo tanto requeridos para mejorar la eficiencia de los sistemas de combustión existentes y reducir los efectos negativos de los procesos de combustión. El estudio numérico de una llama difusiva turbulenta en un quemador tipo bluff-body, usando OpenFOAM como herramienta computacional, es realizado en este trabajo. El modelamiento numérico es realizado utilizando un abordaje basado en la resolución de las ecuaciones Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). El modelo de combustión usado es el Eddy Dissipation Concept (EDC). GRI-MECH 3.0 es utilizado a su vez como el mecanismo describiendo la cinética química del proceso. La turbulencia es tratada con el modelo RANS k-omega y la radiación con el modelo de aproximación P-1. La malla computacional incluye 900 mil elementos, la cual permite describir razonablemente bien el flujo en la estela próxima al bluff-body. Los resultados numéricos obtenidos son comparados con datos experimentales disponibles de campos de velocidad, tensores de Reynolds y perfiles de OH. Las referidas comparaciones enfatizan que hay una concordancia aceptable entre los resultados obtenidos de las simulaciones numéricas y los valores de los parámetros medidos experimentalmente. Esto implica que el modelo de combustión EDC puede ser utilizado para caracterizar el flujo reactivo turbulento en configuraciones de quemadores como los analizados en este trabajo.

Las válvulas mariposa son componentes muy utilizados para el transporte de fluidos a través de tuberías. Dentro de estas válvulas, destacan las válvulas mariposas de doble excentricidad por tener ciertas ventajas como por ejemplo la reducción del desgaste de su sellado en comparación con las válvulas mariposas clásicas. Sin embargo, su asimetría origina un comportamiento más crítico en cuanto a las características hidráulicas del flujo, como son: la pérdida de carga, la distorsión del perfil de velocidades y el riesgo a la cavitación. Como es usual utilizar estas válvulas para control on-off de flujos, se desean bajas pérdidas de carga en su posición totalmente abierta. Cuando estas válvulas se sitúan directamente en el ingreso de turbomáquinas, es importante conocer el grado de distorsión del perfil de velocidades que entra en la máquina ya que ésto modifica los ángulos de ataque del flujo con los álabes y con ello el punto de operación. Y si se opera con presiones bajas también se debe considerar el riesgo de cavitación en partes de la válvula donde se eleve localmente la velocidad. Son estas tres características las que se estudiarán en una válvula mariposa previamente diseñada en la PUCP, con el fin de mejorar la geometría original y con ello su comportamiento hidráulico. Idealmente, se deben realizar ensayos experimentales para conocer el comportamiento hidráulico, pero estos métodos generalmente resultan muy costosos. Una alternativa utilizada hoy en día para la optimización de productos es el estudio computacional CFD (Computational Fluid Dynamics) el cual tiene ciertas ventajas, ya que entrega la información de todos los puntos del dominio y permite realizar cambios en la geometría o en el flujo de forma rápida y menos costosa. En el presente trabajo se realiza el análisis CFD de una válvula mariposa de doble excentricidad con un diámetro nominal de 610mm, en posición completamente abierta con un caudal aproximado de agua de 1 m3/s a 10ºC lo que implica una velocidad media en la tubería de aproximadamente 3.5 m/s. Para ello se utilizó el programa ANSYS CFX 14.0 y se empleó el modelo de turbulencia SST. Luego, se realizó una modificación del diseño original para obtener un diseño alternativo el cual es incluso un 2% más ligero. Lo más importante fue que se consiguió una reducción del 38.3% del coeficiente de pérdidas del diseño original y se aumentó un 40.4% la resistencia a la cavitación del diseño original. Sin embargo, al igual que en el diseño original, el flujo recién comienza a recuperar la forma que tenía antes de ingresar a la válvula después de 14 diámetros nominales aguas abajo de la misma. / Butterfly valves are components used for the transport of fluids through pipes. Among these valves, double eccentric butterfly valves have certain advantages, for example the reduction of wear in the sealing system compared to classic butterfly valves. However, its asymmetry originates some problems in the hydraulic characteristics of the flow such as: pressure loss, distortion of the velocity profile and the risk of cavitation. It is usual to use these valves in the control on-off of flows and because of that, minimum losses are desired when the valves are fully opened. When these valves are located directly at the inlet of turbomachinery, it is important to know the degree of distortion of the velocity profile that enters the machine because this can modify the angles of attack of the flow with the blades and thus the point of operation. And if the valve operates with low pressures, it will be necessary to study the risk of cavitation in the regions of the flow with high velocities. These three characteristics are going to be studied in a butterfly valve previously designed at PUCP, in order to improve the original geometry and its hydraulic behavior. Ideally, experimental methods are required in order to know the hydraulic behaviour, but these methods are usually very expensive. An alternative used today for the optimization of products is the computational study CFD (Computational Fluid Dynamics), which has certain advantages, since it gives information of all the points of the domain and allows the researcher to make fast and inexpensive changes in geometry or flow conditions. In this work, a CFD analysis of a double eccentric butterfly valve is done. The nominal diameter of the valve was 610mm and the valve was fully opened. Its nominal flow was approximately 1 m3/s of water at 10 °C which implied a mean velocity of the flow of 3.5 m/s. The CFD simulation was done using ANSYS CFX 14.0 and the SST turbulence model was used. Then, a modification of the original design was made in order to obtain an alternative design which was 2% lighter. The most important achievement was that the alternative design had a reduction of 38.3% of the loss coefficient of the original design and had an increased of 40.4% of the cavitation resistance of the original design. However, the same as the original design, the flow started to achieve a uniform velocity profile after 14 nominal diameters, downstream of the valve.

Los métodos numéricos de alto orden, necesarios para la discretización espacial, son una de las áreas más activas del campo de la dinámica de fluidos computacional (CFD en sus siglas en inglés). Dentro de estos, los Métodos de Volúmenes Finitos (MVF) han encontrado difcultades en la implementación de los procesos de reconstrucción. En el presente trabajo presentamos e implementamos en Python un novedoso proceso de reconstrucción compacto de alto orden propuesto por Q. Wang [22]. La novedad yace en que el orden alto es alcanzado usando un estencil compacto; es decir, usando únicamente celdas vecinas. En este proceso se obtiene un conjunto de relaciones que sirven para obtener los coeficientes de los polinomios de reconstrucción sobre los volúmenes de control de interés preservando sus valores promedios y el de sus derivadas. Con estas relaciones obtenemos un sistema lineal sobredeterminado que al ajustarse por mínimos cuadrados resultan en un sistema tridiagonal por bloques para el caso de una ecuación de advección 1D. Para esta ecuación de advección usamos además el Análisis de Fourier para examinar los números de onda modificados por el MVF compacto. La reconstrucción incluye parámetros que son optimizados para mejorar las propiedades de dispersión/disipación. Así mismo, el análisis de estabilidad de von Neumann nos permite estimar el número CFL (Courant Friedrich Levy) máximo para dos métodos de Runge-Kutta. Finalmente, validamos tanto los órdenes de convergencia de la combinación del MVF compacto con dos esquemas de Runge-Kutta como los parámetros óptimos de los esquemas de reconstrucción. / The numerical methods of high order, necessary for spatial discretization, are one of the most active areas of the field of Computational Fluid Dynamics. Within these, Finite Volume Methods (abbreviated as MVF in spanish) have encountered difficulties in the implementation of reconstruction processes. In the present work we present a novel high order compact reconstruction process proposed by Q. Wang [22], and implemented in Python. The novelty lies in that high order is achieved using a compact stencil, that is, using only neighboring cells. In this process we obtain a set of relations that are constructed to obtain the coefficients of reconstruction polynomials on the control volumes of interest, preserving their average values and that of their derivatives. With these relations we obtain an overdetermined linear system that is adjusted by least squares resulting in a tridiagonal system by blocks in the case of a 1D advection equation. For this advection equation we also use the Fourier Analysis to examine the wave numbers modified by the compact MVF. The reconstruction includes parameters that are optimized to improve the dispersion / dissipation properties. Furthermore, the von Neumann stability analysis allows us to estimate the maximum CFL number for two Runge-Kutta methods. Finally, we validate the convergence orders of the combination of the compact MVF with two schemes of Runge-Kutta and we also validate the optimal parameters of the reconstruction schemes. / Tesis