Tesis por compendio / [ES] Actualmente, la mayor parte de la población mundial vive en ciudades y se espera que esta tendencia continúe, trasladando cada año más población rural hacia las áreas urbanas. Este fenómeno se debe principalmente al desarrollo económico que se genera en las ciudades. Estas condiciones plantean desafíos importantes para las ciudades en cuanto a su planificación y gestión. Si el crecimiento de la urbanización se gestiona adecuadamente puede contribuir al crecimiento sostenible, aumentando la productividad y el nivel de vida de las personas. Sin embargo, no se puede pasar por alto que el crecimiento de las ciudades implica una afectación al medioambiente. Uno de los problemas que más preocupación causa es la expansión de las ciudades que sustituyen los espacios verdes y agrícolas que rodean a las ciudades por calles y estructuras impermeables. Este proceso disminuye la capacidad del suelo para absorber el agua en un evento de lluvia, incrementando la escorrentía y el riesgo de inundaciones. Si a este problema particular de las ciudades, le sumamos el innegable cambio climático que aumenta la frecuencia de eventos de lluvias extremas en ciertas zonas del planeta, la adaptación de la infraestructura de las ciudades para hacerlas más seguras es una necesidad imperiosa. Los sistemas de drenaje son infraestructuras esenciales, concebidos para captar y transportar el agua producto de las precipitaciones, su buen funcionamiento genera seguridad y bienestar a las personas mientras que un funcionamiento inadecuado se asocia al riesgo y a la vulnerabilidad. Bajo escenarios de cambio climático estas estructuras que fueron diseñadas para caudales menores no garantizan la efectiva evacuación de las aguas, volviendo a las ciudades vulnerables a las inundaciones que pueden generar pérdidas sociales y económicas. Para mitigar estos impactos se han desarrollado diferentes medidas como las denominadas buenas prácticas de manejo o la instalación de sistemas de drenaje con tecnología de bajo impacto, entre otras. Sin embargo, estas medidas no son suficientes para controlar el caudal pico de una lluvia extrema. Adaptar la red existente a las nuevas condiciones climáticas, se presenta como una alternativa idónea para el control de las inundaciones en el entorno urbano. Ampliar la capacidad de la red cambiando el tamaño de las tuberías por otras de mayor diámetro ha sido el enfoque tradicional que se ha venido usando desde hace muchos años. La inclusión de tanques de tormenta en el sistema es una medida que se adoptó posteriormente para dotarlo de mayor resiliencia a los picos de lluvias extremas. Desafortunadamente la construcción de estas estructuras en el entorno conlleva una gran dificultad por el tamaño de la intervención, el tiempo y el coste. En este contexto, el presente trabajo, presenta una novedosa forma de mejorar las redes de drenaje combinando el cambio de tuberías, la instalación de tanques de tormenta en la red de drenaje e incluye también elementos de control hidráulico en la red de drenaje. Con estas acciones se considera que la rehabilitación de la red será más eficiente en términos técnicos y económicos. Para lograrlo, se usa un modelo de optimización creado a partir de un algoritmo genético modificado conectado al modelo SWMM mediante una toolkit. El modelo de optimización se enfoca en minimizar el coste de la infraestructura requerida y de los costes asociados a las inundaciones. Planteado así el problema, se define una función objetivo compuesta por funciones de coste que será evaluada para encontrar las mejores soluciones. El desarrollo de diferentes pasos para la obtención de una metodología eficiente, las estrategias para reducir los tiempos de cálculo y el esfuerzo computacional, el análisis económico de las inundaciones y las estructuras requeridas se detalla en cada capítulo de esta tesis. / [CA] Actualment, la major part de la població mundial viu en ciutats i s'espera que aquesta tendència continue, traslladant cada any més població rural cap a les àrees urbanes. Aquest fenomen es deu principalment al desenvolupament econòmic que es genera a les ciutats. Aquestes condicions plantegen desafiaments importants per a les ciutats quant a la seua planificació i gestió. Si el creixement de la urbanització es gestiona adequadament pot contribuir al creixement sostenible, augmentant la productivitat i el nivell de vida de les persones. No obstant això, no es pot passar per alt que el creixement de les ciutats implica una afectació al medi ambient. Un dels problemes que més preocupació causa és l'expansió de les ciutats que substitueixen els espais verds i agrícoles que envolten a les ciutats per carrers i estructures impermeables. Aquest procés disminueix la capacitat del sòl per a absorbir l'aigua en un esdeveniment de pluja, incrementant l'escolament i el risc d'inundacions. Si a aquest problema particular de les ciutats, li sumem l'innegable canvi climàtic que augmenta la freqüència d'esdeveniments de pluges extremes en unes certes zones del planeta, l'adaptació de la infraestructura de les ciutats per a fer-les més segures és una necessitat imperiosa. Els sistemes de drenatge són infraestructures essencials, concebuts per a captar i transportar l'aigua producte de les precipitacions, el seu bon funcionament genera seguretat i benestar a les persones mentre que un funcionament inadequat s'associa al risc i a la vulnerabilitat. Sota escenaris de canvi climàtic aquestes estructures que van ser dissenyades per a cabals menors no garanteixen l'efectiva evacuació de les aigües, tornant a les ciutats vulnerables a les inundacions que poden generar pèrdues socials i econòmiques. Per a mitigar aquests impactes s'han desenvolupat diferents mesures com les denominades bones pràctiques de maneig o la instal·lació de sistemes de drenatge amb tecnologia de baix impacte, entre altres. No obstant això, aquestes mesures no són suficients per a controlar el cabal pique d'una pluja extrema. Adaptar la xarxa existent a les noves condicions climàtiques, es presenta com una alternativa idònia per al control de les inundacions en l'entorn urbà. Ampliar la capacitat de la xarxa canviant la grandària de les canonades per altres de major diàmetre ha sigut l'enfocament tradicional que s'ha vingut usant des de fa molts anys. La inclusió de tancs de tempesta en el sistema és una mesura que es va adoptar posteriorment per a dotar-lo de major resiliència als pics de pluges extremes. Desafortunadament la construcció d'aquestes estructures en l'entorn comporta una gran dificultat per la grandària de la intervenció, el temps i el cost. En aquest context, el present treball, presenta una nova manera de millorar les xarxes de drenatge combinant el canvi de canonades, la instal·lació de tancs de tempesta en la xarxa de drenatge i inclou també elements de control hidràulic en la xarxa de drenatge. Amb aquestes accions es considera que la rehabilitació de la xarxa serà més eficient en termes tècnics i econòmics. Per a aconseguir-ho, s'usa un model d'optimització creat a partir d'un algorisme genètic modificat connectat al model SWMM mitjançant una toolkit. El model d'optimització s'enfoca a minimitzar el cost de la infraestructura requerida i dels costos associats a les inundacions. Plantejat així el problema, es defineix una funció objectiu composta per funcions de cost que serà avaluada per a trobar les millors solucions. El desenvolupament de diferents passos per a l'obtenció d'una metodologia eficient, les estratègies per a reduir els temps de càlcul i l'esforç computacional, l'anàlisi econòmica de les inundacions i les estructures requerides es detalla en cada capítol d'aquesta tesi. / [EN] Currently, most of the world's population lives in cities and this trend is expected to continue, moving more rural population to urban areas every year. This phenomenon is mainly due to the economic development that is generated in the cities. These conditions pose significant challenges for cities in terms of planning and management. If the growth of urbanization is properly managed, it can contribute to sustainable growth, increasing productivity and people's standard of living. However, it cannot be overlooked that the growth of cities implies an impact on the environment. One of the problems that causes the most concern is the expansion of cities that replace the green and agricultural spaces that surround the cities with streets and impermeable structures. This process decreases the capacity of the soil to absorb water in a rain event, increasing runoff and the risk of flooding. If adding to this problem of cities the undeniable climate change that increases the frequency of extreme rainfall events in certain areas of the planet, the adaptation of the infrastructure of cities to make them safer is an urgent need. Drainage systems are essential infrastructures, designed to capture and transport water produced by precipitation, their proper functioning generates security and wellness for people, while inadequate functioning is associated with risk and vulnerability. Under climate change scenarios, these structures, which were designed for lower flows, do not guarantee the effective evacuation of water, making cities vulnerable to floods that can generate social and economic losses. To mitigate these impacts, different measures have been developed, such as the so-called Best Management Practices or the installation of Low Impact Development etc. However, these measures are not enough to control the peak flow of extreme rainfall. Adapting the existing network to the new climatic conditions is presented as an ideal alternative for flood control in the urban environment. Expanding the capacity of the network by changing the size of the pipes for others with a larger diameter has been the traditional approach that has been used for many years. The inclusion of storm tanks in the system is a measure that was later adopted to provide it with greater resilience to extreme rainfall peaks. Unfortunately, the construction of these structures in the environment entails great difficulty due to the size of the intervention, the time, and the cost. In this context, the present work presents a novel way of improving drainage networks combining the replacement of pipes, the installation of storm tanks in the drainage network and also includes elements of hydraulic control in the drainage network. With these actions it is considered that the rehabilitation of the network will be more efficient in technical and economic terms. To achieve this, an optimization model created from a modified genetic algorithm connected to the SWMM model through a toolkit is used. The optimization model focuses on minimizing the cost of the required infrastructure and the costs associated with flooding. Posing the problem in this way, an objective function is defined composed of cost functions that will be evaluated to find the best solutions. The development of different steps to obtain an efficient methodology, the strategies to reduce calculation times and computational effort, the economic analysis of floods and the required structures are detailed in each chapter of this thesis. / I want to mention the support for the realization of this thesis from the Program Fondecyt through Project No. 1210410 and Project No. 1180660 of the National Agency for Research and Development (ANID) of Chile. From the program PAID 12-21 of the Polytechnic University of Valencia and the program E+/EU Erasmus+ Traineeship. / Bayas Jiménez, LA. (2023). Flood control in urban areas through the rehabilitation of drainage networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199234 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El sistema de bomba de calor geotérmica (GSHP) es una tecnología prometedora para utilizar la energía geotérmica somera (EGS). En este sistema, un intercambiador enterrado de calor de perforación (BHE) desempeña un papel principal e influye directamente en el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) de este sistema geotérmico poco profundo. Se han llevado a cabo diferentes estudios para mejorar el rendimiento del BHE, incluyendo el uso de materiales avanzados para el plástico de las tuberías, uso de fluido caloportador (o de transferencia de calor) y de relleno/grouting, de mayor transferencia de calor, diseño de nuevas geometrías, y la optimización del BHE para ser utilizado como sistemas de almacenamiento de energía térmica (BTES). Los costes de perforación, el consumo eléctrico de las bombas de calor y la resistencia térmica de las perforaciones pueden reducirse utilizando materiales con propiedades termofísicas adecuadas, como los nanofluidos y los materiales de almacenamiento térmico. De este modo, no sólo se produce una transferencia de calor más significativa entre el fluido caloportador, el relleno y el terreno, sino que también se reduce el efecto térmico sobre el entorno. El fluido de transferencia de calor es uno de los factores de optimización de la BHE que se utilizará para el almacenamiento de energía térmica (TES). Una mayor conductividad térmica en el fluido de transferencia de calor mejora la eficacia de la transferencia de calor entre el fluido y los materiales alrededor, lo que lleva a alcanzar con mayor rapidez la temperatura de cambio de fase en los materiales de almacenamiento. Cuando se usa un fluido de transferencia de calor con una conductividad térmica superior, la temperatura del material de almacenamiento de calor experimenta fluctuaciones más rápidas, lo que reduce significativamente la duración necesaria para un cambio de fase completo. Además, usar materiales de cambio de fase (PCM) para almacenar calor en lugar del relleno convencional permite aprovechar el BHE como sistema BTES. Además de disminuir considerablemente la profundidad de perforación necesaria, el sistema BTES puede almacenar y liberar energía diaria y estacionalmente para reducir la carga durante las horas punta. Sin embargo, hay un vacío notable en la bibliografía sobre la exploración y aplicación de nuevos materiales de almacenamiento de calor y fluidos de transferencia de calor en las BHE para hacerlas aptas para fines de BTES. Aunque se han aplicado diversas innovaciones para mejorar el rendimiento de los BHE, como el uso de materiales plásticos avanzados y la optimización del diseño, la mayor parte de la investigación se ha centrado en el uso convencional de los BHE. Debería prestarse más atención a las ventajas potenciales del aprovechamiento de los intercambiadores de calor mediante la aplicación de nanofluidos y PCM como fluidos de transferencia de calor y medios de almacenamiento de calor, respectivamente. Como ya se ha mencionado, estos materiales poseen propiedades termofísicas superiores que pueden dar lugar a una transferencia de calor más eficiente, una reducción de los costes de perforación, un menor consumo de electricidad en las bombas de calor y una disminución de la resistencia térmica de la perforación. Esta laguna en la investigación hace necesaria una investigación en profundidad para determinar la viabilidad y factibilidad de la aplicación de estos materiales avanzados en las BHE, facilitando en última instancia su transformación en sistemas BTES fiables. Por lo tanto, los principales objetivos de esta tesis doctoral son estudiar experimental y numéricamente los impactos del uso de materiales avanzados para el fluido caloportador y el relleno/grouting tales como nanofluidos y PCMs, en el rendimiento del BHE como sistemas BTES. El estudio pretende seleccionar los materiales más favorables, convirtiéndose en una referencia práctica y fiable para futuros proyectos y sectores industriales. / [CA] El sistema de bomba de calor geotèrmica (GSHP, en anglès) és una tecnologia prometedora per a utilitzar l'energia geotèrmica succinta (EGS). En este sistema, un bescanviador enterrat de calor de perforació (BHE, en anglès) exercix un paper principal i influïx directament en el coeficient de rendiment estacional (SCOP) d'este sistema geotèrmic poc profund. S'han dut a terme diferents estudis per a millorar el rendiment del *BHE, incloent-hi l'ús de materials avançats per al plàstic de les canonades, ús de fluid termòfor (o de transferència de calor) i de grouting, de major transferència de calor, disseny de noves geometries, i l'optimització del BHE per a ser utilitzat com a sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica (BTES, en anglès). Els costos de perforació, el consum elèctric de les bombes de calor i la resistència tèrmica de les perforacions poden reduir-se utilitzant materials amb propietats termo-físiques adequades, com els nanofluids i els materials d'emmagatzematge tèrmic. D'esta manera, no sols es produïx una transferència de calor més significativa entre el fluid termòfor, el farciment i el terreny, sinó que també es reduïx l'efecte tèrmic sobre l'entorn. El fluid de transferència de calor és un dels factors d'optimització de la *BHE que s'utilitzarà per a l'emmagatzematge d'energia tèrmica (*TES). Una major conductivitat tèrmica en el fluid de transferència de calor millora l'eficàcia de la transferència de calor entre el fluid i els materials al voltant, la qual cosa porta a aconseguir amb major rapidesa la temperatura de canvi de fase en els materials d'emmagatzematge. Quan s'usa un fluid de transferència de calor amb una conductivitat tèrmica superior, la temperatura del material d'emmagatzematge de calor experimenta fluctuacions més ràpides, la qual cosa reduïx significativament la duració necessària per a un canvi de fase complet. A més, usar materials de canvi de fase (PCM, en anglès) per a emmagatzemar calor en lloc del farciment convencional permet aprofitar el BHE com a sistema BTES. A més de disminuir considerablement la profunditat de perforació necessària, el sistema BTES pot emmagatzemar i alliberar energia diària i estacionalment per a reduir la càrrega durant les hores punta. No obstant això, hi ha un buit notable en la bibliografia sobre l'exploració i aplicació de nous materials d'emmagatzematge de calor i fluids de transferència de calor en les BHE per a fer-les aptes per a fins de BTES. Encara que s'han aplicat diverses innovacions per a millorar el rendiment dels BHE, com l'ús de materials plàstics avançats i l'optimització del disseny, la major part de la investigació s'ha centrat en l'ús convencional dels BHE. Hauria de prestar-se més atenció als avantatges potencials de l'aprofitament dels bescanviadors de calor mitjançant l'aplicació de nanofluids i PCM com a fluids de transferència de calor i mitjans d'emmagatzematge de calor, respectivament. Com ja s'ha esmentat, estos materials posseïxen propietats termo-físiques superiors que poden donar lloc a una transferència de calor més eficient, una reducció dels costos de perforació, un menor consum d'electricitat en les bombes de calor i una disminució de la resistència tèrmica de la perforació. Esta llacuna en la investigació fa necessària una investigació en profunditat per a determinar la viabilitat i factibilitat de l'aplicació d'estos materials avançats en les BHE, facilitant en última instància la seua transformació en sistemes BTES fiables. Per tant, els principals objectius d'esta tesi doctoral són estudiar experimental i numèricament els impactes de l'ús de materials avançats per al fluid termòfor i el grouting com ara nanofluids i PCMs, en el rendiment del BHE com a sistemes BTES. L'estudi pretén seleccionar els materials més favorables, convertint-se en una referència pràctica i fiable per a futurs projectes i sectors industrials. / [EN] Due to severe environmental pollution and worldwide energy deficiency, exploiting renewable energies has become more critical than ever. Shallow geothermal energy (SGE) is considered a sustainable and renewable energy source with significant advantages in space heating and cooling, industrial applications, greenhouses, electricity production, agriculture industry devices, and hot water production, among others. The ground source heat pump (GSHP) system is a promising technology for utilizing SGE. In this system, a borehole heat exchanger (BHE) plays an important role and directly influences the coefficient of performance (COP) of this shallow geothermal system. Different approaches have been carried out to enhance the performance of the BHE, including using advanced materials for pipes, heat transfer fluids, and backfill/grout, designing new geometries, and optimizing the BHE to be used as borehole thermal energy storage (BTES) systems. Drilling costs, heat pump electricity consumption, and borehole thermal resistance can be reduced using materials with appropriate thermo-physical properties like nanofluids and heat storage materials. This results in not only a more significant heat transfer between the heat transfer fluid, the backfill/grout, and the soil but also lessens the thermal effect on the surroundings. Heat transfer fluid is one of the factors in optimizing the BHE to be used for thermal energy storage (TES). Increased thermal conductivity in the heat transfer fluid enhances heat transfer efficiency between the fluid and the heat storage materials, leading to a more rapid attainment of the phase change temperature in the storage materials. In essence, when employing a heat transfer fluid with superior thermal conductivity, the temperature of the heat storage material experiences quicker fluctuations, resulting in a significant reduction in the duration required for a complete phase change. Moreover, the use of phase change material (PCM) as a heat storage medium instead of conventional backfill/grout enables the BHE to be beneficial and applicable as a BTES system. In addition to decreasing the required borehole depth considerably, the BTES system can store and release energy daily and seasonally to reduce the load during peak hours. However, there is a notable gap in the literature concerning exploring and applying new heat storage and heat transfer fluid materials in BHEs to render them suitable for TES purposes. While various approaches have been undertaken to enhance BHE performance, including using advanced materials and design optimizations, most research has concentrated on the conventional goal of BHEs. More attention should be given to the potential advantages of these heat exchangers by applying nanofluids and PCMs as heat transfer fluids and heat storage media, respectively. As mentioned above, these materials possess superior thermo-physical properties that can lead to more efficient heat transfer, reduced drilling costs, lower electricity consumption in heat pumps, and diminished borehole thermal resistance. This research gap necessitates an in-depth investigation to determine the feasibility and practicality of implementing these advanced materials in BHEs, ultimately facilitating their transformation into reliable BTES systems. The outcomes of such research endeavors hold the promise of addressing environmental concerns and global energy deficiencies by advancing the utilization of renewable energy sources like SGE sustainably and effectively. Therefore, the main objectives of this doctoral dissertation are to study experimentally and numerically the impacts of using advanced materials for heat transfer fluid and backfill/grout, such as nanofluids and PCMs, on the performance of the BHE as BTES systems. The study aims to select the most favorable materials, making it a practical and reliable reference for future projects and industry sectors. / This research has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program named GEOCOND under grant agreement No [727583]. / Javadi, H. (2024). Experimental and Numerical Study of the Thermo-Fluid Dynamics of Borehole Heat Exchangers Incorporating Advanced Materials to be Optimized for use as Thermal Energy Storage (BTES) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203144 / Compendio

<p>This is a thesis work proposed by Sweco System in order to carry out a study related to the heating system of a circular fuel oil storage tank or cistern. The study tank is a 23m diameter and 18m height with a storage capacity of around 7500m3 of Eo5 heavy fuel oil. The content ought to be at a minimum storage temperature of 50ºC so that the fuel oil is fluid enough and operation labors can be adequately performed. In fact, these types of heavy fuel oils have fairly high viscosities at lower temperatures and the heating and pumping system can be compromised at temperatures below the pour point. For this purpose a heating system is installed to maintain the fluid warm. So far the system was operated by an oil burner but there are plans to its replacement by a District Heating-heat exchanger combo. Thereby, tank heating needs, flow and thermal patterns and heat transfer within it are principally studied.</p><p> </p><p>Tank boundaries are studied and their thermal resistances are calculated in order to dimension heat supply capacity. The study implies Finite Elements (Comsol Multiphysics) and Finite Volume (Fluent) analysis to work out some stationary heat transfer by conduction cases on some parts and thermal bridges present on these boundaries. Afterwards both cooling and heating processes of the fuel oil are studied using several strategies: basic models and Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD work with Fluent is focused on optimizing inlet and outlet topologies. Understanding the cooling process is sought as well; Fluent CFD transient models are simulated in this way as well. Additionally the effect of filling levels is taken into account leading to a multiphase (fuel oil and air) flow cases where especially heating coupling of both phases is analyzed.</p><p> </p><p>Results show that maximum heat supply needs are around 80kW when the tank temperature is around 60ºC and 70kW when it is around 50ºC. Expectedly the main characteristic of the flow turns out to be the buoyancy driven convective pattern. K-ε turbulence viscous models are applied to both heating and cooling processes showing thermal stratification, especially at the bottom of the tank. Hotter fluid above follows very complex flow patterns. During the heating processes models used predict fairly well mixed and homogenous temperature distribution regardless small stratification at the bottom of the tank. In this way no concrete inlet-outlet configuration shows clear advantages over the rest. Due to the insulation of the tank, low thermal conductivity of the fluid and vast amount of mass present in the tank, the cooling process is slow (fluid average temperature drops around 5.7 ºC from 60ºC in 15 days when the tank is full and ambient temperature is considered to be at -20ºC) and lies somewhere in the middle between the solid rigid and perfect mixture cooling processes. However, due to stratification some parts of the fluid reach minimum admissible temperatures much faster than average temperature does. On the other hand, as expected, air phase acts as an additional thermal resistance; anyhow the cooling process is still faster for lower filling levels than the full one.</p> / <p>El presente proyecto fue propuesto por Sweco Systems para llevar a cabo un estudio relacionado con el sistema de calefacción de una cisterna o tanque de almacenamiento de fuel oil circular. Dicho tanque tiene 23 m de diámetro  y 18 m de altura con una capacidad de almacenamiento de alrededor de 7500 m³ de Eo5 fuel oil pesado. El contenido mantenerse a una temperatura mínima de 50 ºC de manera que el fuel oil es suficientemente fluido para que las labores de operación puedan ser ejecutadas adecuadamente. De hecho, estos tipos de fuel oil pesado tienen altas viscosidades a bajas temperaturas y, por tanto, tanto los sistemas de calefacción y como el de bombeo pueden verse comprometidosr a temperaturas por debajo del pour point. Con este fin un sistema de calefacción es instalado para mantener el fluido suficientemente caliente. Hasta el momento, el sistema era operado por un quemador de fuel, sin embargo, hay planes que éste sea sustituido por un combo intercambiador de calor-District Heating. Por lo tanto, principalmente son estudiadas las necesidades de calefacción así como los flujos térmicos y fluidos.</p><p>Se estudian las fronteras del tanque, y sus respectivas resistencias térmicas son calculadas con el fin de dimensionar la capacidad necesaria de suministro de calor. El estudio implica Elementos Finitos (Comsol Multiphysics) y Volúmenes Finitos (Fluent) para elaborar análisis estacionarios de transferencia de calor por conducción en algunos casos. Existen puentes térmicos en las paredes y su importancia es también anallizada. Posteriormente se estudian tanto los procesos de calentamiento y enfriamiento del fuel oil utilizando diversas estrategias: modelos básicos y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El trabajo con CFD se centra en la optimización de topologías de entradas y salidas del sistema. También es solicitado entender el proceso de enfriamiento; En este sentido, se simulan modelos CFD transitorios de Fluent. Además, el efecto de los niveles de llenado se tiene en cuenta dando lugar a estudios de flujo multifase (fuel oil y aire), haciendo hincapié en el análisis de acoplamiento de transferencia de calor entre las dos fases.</p><p>Los resultados muestran que las necesidades de calefacción máximas son de alrededor de 80kW cuando la temperatura del tanque es de alrededor de 60 º C y 70kW cuando está alrededor de 50 ºC. Como era de esperar, la principal característica de este tipo de flujos es la convección natural resultante de las fuerzas de flotabilidad. Se aplican modelos turbulentos k-ε a los procesos de calentamiento y enfriamiento, mostrando estratificación térmica, sobre todo en la parte inferior de la cisterna. El líquido más caliente que se sitúa encima muestra complejos patrones de flujo. Durante los procesos de calentamiento, los modelos utilizados predicen un buen mezclado y distribución homogénea de la temperatura independientemente de esta pequeña estratificación en la parte inferior de la cisterna. De esta manera, ninguna concreta configuración de entradas-salidas simuladas muestra claras ventajas sobre el resto. Debido al aislamiento de la cisterna, la baja conductividad térmica del fluido y la gran cantidad de masa presente en el tanque el proceso de enfriamiento es lento (la temperatura media del fluido desciende 5.7 º C desde 60 º C en 15 días cuando el tanque está lleno y la temperatura ambiente es de -20 º C) y se encuentra en algún lugar en medio de los procesos de enfriamiento del sólido rígido y perfecta mezcla. Sin embargo, debido a la estratificación, algunas partes el líquido alcanzan la temperatura mínima admisible mucho más rápido que la media de temperatura. Por otra parte, como se esperaba, la fase de aire actúa como una resistencia térmica adicional, de todos modos, el proceso de enfriamiento es aún más rápido para niveles de llenado más bajos que el lleno.</p>

This is a thesis work proposed by Sweco System in order to carry out a study related to the heating system of a circular fuel oil storage tank or cistern. The study tank is a 23m diameter and 18m height with a storage capacity of around 7500m3 of Eo5 heavy fuel oil. The content ought to be at a minimum storage temperature of 50ºC so that the fuel oil is fluid enough and operation labors can be adequately performed. In fact, these types of heavy fuel oils have fairly high viscosities at lower temperatures and the heating and pumping system can be compromised at temperatures below the pour point. For this purpose a heating system is installed to maintain the fluid warm. So far the system was operated by an oil burner but there are plans to its replacement by a District Heating-heat exchanger combo. Thereby, tank heating needs, flow and thermal patterns and heat transfer within it are principally studied.   Tank boundaries are studied and their thermal resistances are calculated in order to dimension heat supply capacity. The study implies Finite Elements (Comsol Multiphysics) and Finite Volume (Fluent) analysis to work out some stationary heat transfer by conduction cases on some parts and thermal bridges present on these boundaries. Afterwards both cooling and heating processes of the fuel oil are studied using several strategies: basic models and Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD work with Fluent is focused on optimizing inlet and outlet topologies. Understanding the cooling process is sought as well; Fluent CFD transient models are simulated in this way as well. Additionally the effect of filling levels is taken into account leading to a multiphase (fuel oil and air) flow cases where especially heating coupling of both phases is analyzed.   Results show that maximum heat supply needs are around 80kW when the tank temperature is around 60ºC and 70kW when it is around 50ºC. Expectedly the main characteristic of the flow turns out to be the buoyancy driven convective pattern. K-ε turbulence viscous models are applied to both heating and cooling processes showing thermal stratification, especially at the bottom of the tank. Hotter fluid above follows very complex flow patterns. During the heating processes models used predict fairly well mixed and homogenous temperature distribution regardless small stratification at the bottom of the tank. In this way no concrete inlet-outlet configuration shows clear advantages over the rest. Due to the insulation of the tank, low thermal conductivity of the fluid and vast amount of mass present in the tank, the cooling process is slow (fluid average temperature drops around 5.7 ºC from 60ºC in 15 days when the tank is full and ambient temperature is considered to be at -20ºC) and lies somewhere in the middle between the solid rigid and perfect mixture cooling processes. However, due to stratification some parts of the fluid reach minimum admissible temperatures much faster than average temperature does. On the other hand, as expected, air phase acts as an additional thermal resistance; anyhow the cooling process is still faster for lower filling levels than the full one. / El presente proyecto fue propuesto por Sweco Systems para llevar a cabo un estudio relacionado con el sistema de calefacción de una cisterna o tanque de almacenamiento de fuel oil circular. Dicho tanque tiene 23 m de diámetro  y 18 m de altura con una capacidad de almacenamiento de alrededor de 7500 m3 de Eo5 fuel oil pesado. El contenido mantenerse a una temperatura mínima de 50 ºC de manera que el fuel oil es suficientemente fluido para que las labores de operación puedan ser ejecutadas adecuadamente. De hecho, estos tipos de fuel oil pesado tienen altas viscosidades a bajas temperaturas y, por tanto, tanto los sistemas de calefacción y como el de bombeo pueden verse comprometidosr a temperaturas por debajo del pour point. Con este fin un sistema de calefacción es instalado para mantener el fluido suficientemente caliente. Hasta el momento, el sistema era operado por un quemador de fuel, sin embargo, hay planes que éste sea sustituido por un combo intercambiador de calor-District Heating. Por lo tanto, principalmente son estudiadas las necesidades de calefacción así como los flujos térmicos y fluidos. Se estudian las fronteras del tanque, y sus respectivas resistencias térmicas son calculadas con el fin de dimensionar la capacidad necesaria de suministro de calor. El estudio implica Elementos Finitos (Comsol Multiphysics) y Volúmenes Finitos (Fluent) para elaborar análisis estacionarios de transferencia de calor por conducción en algunos casos. Existen puentes térmicos en las paredes y su importancia es también anallizada. Posteriormente se estudian tanto los procesos de calentamiento y enfriamiento del fuel oil utilizando diversas estrategias: modelos básicos y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El trabajo con CFD se centra en la optimización de topologías de entradas y salidas del sistema. También es solicitado entender el proceso de enfriamiento; En este sentido, se simulan modelos CFD transitorios de Fluent. Además, el efecto de los niveles de llenado se tiene en cuenta dando lugar a estudios de flujo multifase (fuel oil y aire), haciendo hincapié en el análisis de acoplamiento de transferencia de calor entre las dos fases. Los resultados muestran que las necesidades de calefacción máximas son de alrededor de 80kW cuando la temperatura del tanque es de alrededor de 60 º C y 70kW cuando está alrededor de 50 ºC. Como era de esperar, la principal característica de este tipo de flujos es la convección natural resultante de las fuerzas de flotabilidad. Se aplican modelos turbulentos k-ε a los procesos de calentamiento y enfriamiento, mostrando estratificación térmica, sobre todo en la parte inferior de la cisterna. El líquido más caliente que se sitúa encima muestra complejos patrones de flujo. Durante los procesos de calentamiento, los modelos utilizados predicen un buen mezclado y distribución homogénea de la temperatura independientemente de esta pequeña estratificación en la parte inferior de la cisterna. De esta manera, ninguna concreta configuración de entradas-salidas simuladas muestra claras ventajas sobre el resto. Debido al aislamiento de la cisterna, la baja conductividad térmica del fluido y la gran cantidad de masa presente en el tanque el proceso de enfriamiento es lento (la temperatura media del fluido desciende 5.7 º C desde 60 º C en 15 días cuando el tanque está lleno y la temperatura ambiente es de -20 º C) y se encuentra en algún lugar en medio de los procesos de enfriamiento del sólido rígido y perfecta mezcla. Sin embargo, debido a la estratificación, algunas partes el líquido alcanzan la temperatura mínima admisible mucho más rápido que la media de temperatura. Por otra parte, como se esperaba, la fase de aire actúa como una resistencia térmica adicional, de todos modos, el proceso de enfriamiento es aún más rápido para niveles de llenado más bajos que el lleno.

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

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