[ES] La creciente preocupación por los problemas medioambientales, la disponibilidad de combustibles fósiles unido a la gran demanda de vehículos, han llevado a los gobiernos a regular las emisiones emitidas a la atmósfera. Existen propuestas de adoptar fuentes de energía renovables. Sin embargo, la sustitución de los combustibles derivados del petróleo no será fácil, rápida o rentable, y el transporte propulsado por motores de combustión interna (ICE) seguirá destacando en los próximos años. La eficiencia de la combustión y el rendimiento del motor están influenciados por el complejo proceso de inyección. La inyección directa de gasolina (GDI) aumenta el ahorro de combustible y cumple los requisitos de emisiones contaminantes, aunque queda potencial por descubrir. Por ello, ha sido objeto de estudio en los últimos años y, en consecuencia, de la presente Tesis. Este trabajo tiene como motivación mejorar el entendimiento en el campo del GDI. La compleja naturaleza transitoria del proceso de inyección hace que el estudio experimental sea un desafío. La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) surge como una potente alternativa a los experimentos y ha sido adoptada para esta investigación. Bajo este contexto, el objetivo de la presente Tesis es desarrollar una metodología predictiva para la caracterización hidráulica del inyector, capaz de ser aplicada a las actuales y futuras generaciones de inyectores GDI, independientemente de las características del inyector y del software de estudio. Una vez validada, el objetivo posterior es utilizar los resultados para analizar el comportamiento del chorro. Este enfoque busca seguir los pasos de la comunidad científica sustituyendo la práctica experimental. La validación de la metodología se lleva a cabo mediante su aplicación en dos inyectores GDI solenoides multi-orificio diferentes. Además, se han utilizado dos códigos CFD comerciales: CONVERGE y StarCCM+. La metodología predictiva se centra en el estudio del flujo interno y el campo cercano para caracterizar hidráulicamente el inyector. El problema a tratar se define como un sistema multifásico en un marco Euleriano y considerando un único fluido. El tratamiento del flujo multifásico se realiza mediante el enfoque Volume-of-Fluid (VOF). Además, se emplea el Homogeneous Relaxation Model (HRM) para considerar el intercambio de masa entre las fases líquida y vapor debido a cavitación y flash boiling. La turbulencia se ha tratado a partir de los enfoques Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) y Large Eddy Simulations (LES). Por otro lado, en cuanto al estudio del flujo externo, se ha adoptado el Discrete Droplet Model (DDM). La atomización y el chorro están influenciados por la geometría de la tobera, por lo que la estrategia de acoplamiento del flujo interno y externo complementa los análisis. Se han adoptado enfoques de acoplamiento unidireccional y mapeado, utilizando como parámetros de entrada los datos de flujo interno de la validada metodología. Esta Tesis aporta una nueva y valiosa metodología predictiva con una elevada precisión a la hora de caracterizar el proceso de inyección en comparativa con datos experimentales. Por otro lado, es directamente trasferible a distintos códigos de cálculo así como aplicable a inyectores con características dispares sin perjudicar las exigencias del modelo. La correcta caracterización del flujo interno ha permitido emplear los datos obtenidos para analizar el comportamiento del chorro eliminando la necesidad de usar datos experimentales. Los resultados obtenidos capturan el comportamiento macroscópico del chorro con una precisión comparable a los experimentos. Aunque todavía hay muchos retos que afrontar, la presente Tesis supone un gran avance en el campo del GDI. El remarcable progreso se debe al desarrollo y uso de una metodología totalmente predictiva, que permite prescindir de la mayoría de los experimentos para contribuir a una mayor y más amplia visión de la física del proceso de inyección. / [CA] La creixent preocupació pels problemes ambientals, la limitada disponibilitat de combustibles fòssils, acompanyat a la gran demanda de vehicles, ha portat el govern a regular els nivells d'emissions emesos a l'atmosfera. Existeixen propostes d'adoptar fonts d'energia renovables. Tanmateix, la substitució dels combustibles líquids derivats del petroli no es durà a terme de forma fàcil, ràpida o rentable, i el transport propulsat per motors de combustió interna (ICE) continuarà destacant en els pròxims anys. L'eficiència de la combustió i el rendiment del motor són fortament influenciats pel complex procés d'injecció. La injecció directa de gasolina (GDI) augmenta l'estalvi de combustible i complix amb els requisits d'emissions, encara que queda molt potencial per descobrir. Per això, aquest ha sigut objecte d'investigació en els últims anys i, com a conseqüència, d'aquesta Tesi. Aquest treball té com a motivació millorar l'enteniment en el camp del GDI. La complexa natura transitòria de la injecció fa que l'estudi experimental siga força complex. La Mecànica de Fluids Computacional (CFD) sorgeix com una potent alternativa als experiments, i ha sigut adoptada per aquesta investigació. Baix aquest mateix context, es proposa com a objectiu principal d'aquesta Tesi el desenvolupament d'una metodologia predictiva per a la caracterització hidràulica de l'injector, capaç de ser aplicada a les actuals i futures generacions d'injectors GDI (independentment de les característiques de l'injector i del software d'estudi). Una vegada validada, el posterior objectiu és analitzar el comportament de l'esprai. Aquest enfocament busca seguir els passos de la comunitat científica substituint la pràctica experimental. La validació de la metodologia ha sigut duta a terme mitjançant la seva aplicació en dos injectors GDI solenoides multi-orifici. A més, s'han utilitzat dos software CFD comercials: CONVERGE i StarCCM+. La metodologia predictiva se centra en l'estudi del flux intern i el camp proper per tal de caracteritzar hidràulicament l'injector. El problema a tractar es defineix en base a un sistema multi-fàsic en un marc Eulerià i considerant un únic fluid. El tractament del fluid multi-fàsic es realitza mitjançant l'aproximació Volume-of-Fluid (VOF). A més, s'utilitza el Homogeneous Relaxation Model (HRM) per tal de considerar l'intercambi de massa entre les fases líquida i vapor degut als fenòmens de cavitació i flash boiling. La turbulència s'ha tractac a través dels enfocaments Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) i Large Eddy Simulations (LES). Pel que fa a l'estudi del fluix extern, s'ha adoptat el Discrete Droplet Model (DDM). Sent conscients que el comportament l'atomització i l'esprai estan influenciats per la geometria de la tovera, l'estratègia d'acoblament del flux intern i extern complementa les anàlisis. S'han adoptat els enfocaments d'acoblament unidireccional i mapejat, utilitzant com a paràmetres d'entrada les dades del flux intern obtingudes amb la validada metodologia. Aquesta Tesi aporta una nova i valuosa metodologia predictiva amb una elevada precisió a l'hora de caracteritzar el procés d'injecció en comparativa amb dades experimentals. És directament transferible a diversos codis de càlcul així com aplicable a injectors amb característiques dispars sense perjudicar les exigències del model. La correcta caracterització del flux intern ha permès utilitzar les dades obtingudes per tal d'analitzar el comportament de l'esprai, eliminant la necessitat d'emprar dades experimentals. Els resultats obtinguts d'aquest estudi capturen el comportament macroscòpic de l'esprai amb una precisió comparable als experiments. Encara que queden molts reptes per afrontar, aquesta Tesi aporta un important avanç al camp del GDI. La ruptura prové del desenvolupament i ús d'una metodologia completament predictiva, que substitueix els experiments requerits i així contribueix a una millor i més ampla visió de la física del procés d'injecció. / [EN] Concerns about climate change, availability of fuel resources and the high demand for vehicles, have led governments to regulate the level of pollution emitted by engines into the atmosphere. There is a strong desire to adopt renewable and sustainable energy sources. However, the substitution of liquid fuels derived from petroleum will not emerge easily, quickly or economically, and Internal Combustion Engines (ICE) will continue to excel for the next few years. Combustion efficiency and engine performance are strongly influenced by the complex fuel injection process. Gasoline Direct Injection (GDI) strategies increase fuel economy and meet emission requirements, although many challenges remain, which has therefore been one of the main research objectives in recent years and of this Thesis. The present research aims to provide a better understanding in the field of GDI. The transient and complex nature of the injection process makes the experimental study of GDI quite challenging. Therefore, Computational Fluid Dynamics (CFD) emerges as a powerful alternative adopted for this research. In this context, the main objective of the present Thesis is to develop a predictive methodology capable of being applied to current and future generations of GDI injectors, regardless of the injector features and the software employed, for the hydraulic characterization of the injector. Once validated, the subsequent goal is to employ the obtained results to analyze the behavior of the spray downstream of the injector. The approach attempts to follow the footsteps of the research community to avoid experimental practice. The predictive methodology has been validated through its application to two multi-hole solenoid GDI injectors with different features. In addition, the mentioned methodology has been evaluated using diverse commercial software: CONVERGE and StarCCM+. The methodology focuses on the study of the internal and near-field flow to hydraulically characterize the injector. So the problem to be addressed is a multi-phase system, performed in an Eulerian framework, modeled through a single-fluid approach. The multi-phase flow is treated by means of the Volume-of-Fluid (VOF) approach. Homogeneous Relaxation Model (HRM) is employed to consider the mass exchange between liquid and vapor fuel phases, due to cavitation and flash boiling. The turbulence treatment has been performed from both Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) approaches. Regarding the external flow study, the Discrete Droplet Model (DDM) has been adopted. In addition, being aware that atomization and spray behavior is greatly influenced by the nozzle geometry, the coupling strategy of the internal and external flow complements the analyses. One-way coupling and mapping approaches have been adopted, using as input parameters the internal flow data obtained from the already validated methodology. Accordingly, this Thesis provides a new and valuable predictive methodology, which has demonstrated a high accuracy in characterizing the flow behavior during the injection process through comparison with experimental data. It has also proven to be directly transferable to different CFD software and applicable to injectors with dissimilar characteristics without compromising the requirements of the model. The correct internal flow characterization has made it possible to employ the obtained data to analyze the spray patterns, which eliminates the need to consider experimental data. The outcomes of this study macroscopically capture the jet behavior with an accuracy comparable to experiments under different operating conditions. Although there are still many challenges to face, the present Thesis brings a breakthrough in the field of GDI. The quantum leap arises from the development and use of a fully predictive methodology, allowing to avoid most experiments to contribute to a greater and broader vision of the injection process physics. / María Martínez García has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2018/118 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference BEFPI/2020/057 the research carried out during the stay at Aerothermochemistry and Combustion Systems Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich, Switzerland. Special gratitude from the author to both institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, for making this dream possible / Martínez García, M. (2022). Computational Study of the Injection Process in Gasoline Direct Injection (GDI) Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185180

[ES] La creciente preocupación sobre el efecto de la emisión de gases nocivos provenientes de motores de combustión interna alternativos (ICE) a la atmósfera ha llevado a los gobiernos a lo ancho del planeta a limitar la cantidad de dichas emisiones, particularmente en Europa a través de las normas EURO. La dificultad en cumplir dichas limitaciones ha llevado a la industria automovilística a cambiar el foco de motores de encendido por compresión (CI) o provocado (SI) hacia la electrificación o los combustibles libres de carbono. Sin embargo, esta transición no se puede llevar a cabo de manera sencilla en el corto y medio plazo, mientras que combustibles libres de carbono como el Hidrógeno (H2 ) o el Amoniaco (NH3 ) siguen produciendo algunos contaminantes como los Óxidos de Nitrógeno (NOx ), con los cuales hay que lidiar. Estas emisiones pueden ser particularmente dañinas para el ser humano ya que incrementan el riesgo de cáncer de pulmón. La Reducción Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrado ser una tecnología eficaz para la reducción de este contaminante en particular. A través de una inyección de una Solución de Urea-Agua, junto con la energía térmica de los gases de escape, se genera una cantidad suficiente de NH 3 capaz de neutralizar los indeseados NOx en un catalizador de reducción. Con la inclusión de los SCR en automóviles ligeros además de su presencia tradicional en automóviles pesados, los SCR han sido el foco de la comunidad científica para mejorar el entendimiento de su principio de actuación, y mejorar su eficiencia en un entorno legislativo en el que los limites de emisión se han estrechado enormemente. Esta Tesis intenta ser parte de ese esfuerzo científico en caracterizar el proceso de inyección de UWS en su totalidad a través de un entorno computacional. El presente estudio tiene como objetivo proveer de un mejor entendimiento del proceso de atomización y degradación sufrido por los chorros de UWS. Las dinámicas no estacionarias que se dan lugar en la zonas cercana del chorro, añadido a la gran influencia de las características internas del inyector sobre el desarrollo del spray hacen que los métodos experimentales sean complicados para poder entender dicho proceso. Por otro lado, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) presenta una alternativa. Para el propósito de esta Tesis, el CFD ha sido utilizado para caracterizar los sprays de SCR. Se intenta desarrollar y seleccionar los modelos más apropiados a chorros de baja velocidad, y establecer un conocimiento Una vez adquiridos dichos métodos, los mecanismos principales de rotura del chorro y de degradación de la urea se han analizan. En ese sentido, el uso de técnicas experimentales podrían ser sustituídos en el futuro para esta aplicación. Los métodos CFD son validados tanto en el campo cercano como en el lejano. Para el campo cercano, el tratamiento multi-fase se lleva a cabo a través de métodos de Modelo de Mezclas, o el método Volume-Of-Fluid. A través de ellos, la caracterización hidráulica de dos reconstrucciones del inyector de UWS se lleva a cabo. Subsiguientes análisis se llevan a cabo sobre las dinámicas de rotura de la vena líquida, descubriendo que mecanismos rigen el proceso. El estudio de campo lejano usa un Discrete Droplet Model (DDM) para lidiar con las fases líquidas y gaseosas. En él, la evaporación del agua y el proceso de termólisis de la urea han sido considerados y comparados con resultados experimentales con el fin de obtener una metodología fiel para su caracterización. Todo el conocimiento adquirido se aplica más tarde a un Close-Coupled SCR, en el cual condiciones de trabajo realista han sido consideradas. Además, una herramienta llamada Maximum Entropy Principle (MEP) es presentada. Por tanto, esta Tesis aporta una metodología valiosa capaz de predecir tanto el campo cercano como el lejano de chorros de UWS de una manera precisa. / [CA] La creixent preocupació sobre el efecte de l'emissió de gasos nocius provenients the motors de Combustió Interna Alternatius (ICE) a l'atmosfera ha dut als governs de tot el planeta a limitar la quantitat d'aquestes emisions, particularment a Europa mitjant les normes EURO. La dificultat de complir aquestes limitacions ha portat a l'industria automovilística a cambiar el focus de motors d'encedut per compresió (CI) o provocat (SI) cap a la electrificació o els combustibles lliures de carbó. No obstant això, aquesta transició no es pot dur a terme de manera senzilla , mentres que els combustibles lliures de carbó como l'Hidrogen (H2 ) o l'Amoniac (NH3 ) seguirien produint contaminants como els Óxids de Nitrogen (NOx ), amb els quals n'hi ha que bregar. Estes emissions poden ser particularment nocives per a l'esser humà ja que incrementen el risc de càncer de pulmó. La Reducció Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrat ser una tecnología eficaç per a la reducció d'este contaminant en particular. Mitjançant una injecció d'una Solució D'Urea i Aigua, junt a l'energía térmica dels gasos d'fuita, es pot generar una quantitat suficiente de NH 3 capaç de neutralitzar els indesitjats NO x a un catalitzador de reducció. Amb l'inclusió dels SCR en automòvils lleugers a més de la seua tradicional presència en automòvils pesats, els SCR han segut el foc per a mijorar l'enteniment del seu principi d'actuació, i mijorar la seua eficiencia. Este estudi té como a objectiu proveir d'un mijor entenement del procés d'atomizació y degradació patit pels dolls de UWS. Les dinàmiques no estacionaries que es donen lloc en la zona propenca al doll, afegit a la gran influència de les característiques internes del injector sobre el desentroll de l'esprai, fan que els métods experimentals siguen complicats d'aplicar per entendre dit procés. Per un altre costat, la Mecànica de Fluïts Computacional (CFD) supon una alternativa que té certes avantatges. Per al propòsit d'esta Tesi, el CFD ha sigut utilitzat com la principal metodología per a caracteritzar elsesprais de SCR. Per mitjà de dits métodes, la Tesi vol desentrollar i seleccionar els models més apropiats que mitjos s'adapten a sprays de baixa velocitat, i establir un coneiximent per a posteriors estudis desentrollats sobre la mateixa temàtica. Una volta adquirits dits métodes, els mecanismes principals de trencament del doll, així com els de degradació de l'urea en amoníac s'analitzaran. En aquest sentit, l'us de técniques experimentals podría no ser utilitzat més en el futur per aquesta aplicació.Els métods CFD son aplicats i validats tant el el camp propenc com en el llunyà. Per al camp propenc, el tractament multi-component es porta a terme a través de métodes Eulerians-Eulerians, com el Model de Mescles, o el métode Volume-Of-Fluid. La caracterització hidràulica de dos reconstruccions de l'injector es porta a terme, els resultats del qual són comparats amb resultats experimentals. Subsegüents anàlisis es porten a terme sobre les dinàmiques de trencament de la vena líquida, descobrint qué mecanismes regeixen el procés. L'estudi de camp llunyà usa un Discrete Droplet Model (DDM) per a bregar en la fase líquida i gaseosa. En ell, l'evaporació del aigua y el procés de termòlisis de l'urea han sigut considerats i comparats amb el resultats experimentals amb la finalitat d'obtindre una metodología fidel per a la seua caracterització. Tot el coneixement obtingut s'aplica més tard a un Close-Coupled SCR, en el qual condicions de treball realistes han sigut considerades. Dels resultats obtinguts dels distints estudis, una ferramenta adicional anomenada Maximum Entropy Principle (MEP),capaç de predir el fenomen d'atomització dels doll de UWS sense la necessitat de realitzar simulacions del camp propenc, es presentat. Per tant, esta Tesi aporta una metodología capaç de predir tant el camp proper como el llunyà d'una manera precisa. / [EN] The increasing awareness of the effect of emitting harmful gases from Internal Combustion Engines (ICE) into the atmosphere has driven the governments across the globe to limit the amount of these emissions, par ticularly in Europe through the EURO norms. The difficulty to meet such limitations has driven the automotive industry to shift from traditional Compression Ignited (CI) or Spark Ignited (SI) engines toward electrification or carbon-free fuels. Nonetheless, this transition will not be easily done in the short and medium time frames, while carbon-free fuels such as Hydrogen (H2 ) and Ammonia (NH3 ) will keep producing certain pollutants such as Nitrogen Oxides (NOx ) which need taking care of. These emissions can be particularly hazardous for humans, increasing the risk of developing lung cancer. Selective Catalytic Reduction (SCR) is an effective technology for reducing this specific ICE contaminant. An injection of a Urea-Water Solution (UWS), together with the thermal energy of the combustion gases can generate a sufficient amount of NH 3 capable of neutralizing the unwanted NO x in a catalyst. With the fitting of SCR systems within light-duty applications, in addition to their traditional presence on heavy-duty usage, SCR has been on the focus to understand their working principle and improve their efficiency . This Thesis tries to become part of that scientific ensemble by characterizing the whole UWS injection process within a computational framework. The present research aims to provide a better understanding of the atomizing and degradation processes undergone by the UWS sprays. The transient dynamics taking place in the near-field region, added to the great influence of the inner-injector characteristics on the development of the spray make experimental approaches on such sprays challenging in providing such knowledge. Computational Fluid Dynamics (CFD) provide an alternative that has certain advantages. For this Thesis they have been adopted as the main methodology on characterizing SCR sprays. The Thesis tries to develop and select the appropriate models that best suit low-velocity sprays. With the suitable methods that best predict these sprays, the main jet breakup mechanisms, together with the urea-to-ammonia transformation will have their behavior analyzed. In that way, experimental techniques could be avoided for such applications. CFD is applied and validated both in the near-field and far-field regions. For the near-field, multi-component flows are treated through Eulerian-Eulerian such as the Mixture Model or the Volume-Of-Fluid method. Through them, a hydraulic characterization on two recon structions of the UWS injector is performed, with results compared with experimental data. Further analysis is done on the jet-to-droplet dynamics, assessing which mechanisms drove the process. The far-field analy sis uses a Discrete Droplet Model (DDM) for dealing with the gas and liquid phases. In it, the evaporation of water and the thermolysis process of the urea have been considered and again compared with experimental results to have a faithful methodology for its characterization. All the acquired knowledge has been later applied to a commercial Close-Coupled SCR, in which real-working conditions have been considered. From the results obtained from several studies, an additional tool called Maximum Entropy Principle (MEP), capable of predicting the UWS spray atomization phenomenon without the need to perform near-field simulations, has been provided. Accordingly, this Thesis provides a valuable methodology capable of predicting the near-field and far-field dynamics accurately thanks to its validation against experimental results from literature. Additionally, the MEP tool can be used independently for computational and experimental works to predict the performance of UWS atomizers.The work carried out presents a significant leap in the application of CFD tools in predicting low-velocity sprays. / Javier Marco Gimeno has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2020/259 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and The European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference CIBEFP/2021/11 the research carried out during the stay at Energy Systems, Argonne National Laboratory, United States of America. / Marco Gimeno, J. (2023). Computational study of Formation and Development of Liquid Jets in Low Injection Pressure Conditions. Focus on urea-water solution injection for exhaust gas aftertreatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198699

[ES] El alto impacto del sector transporte respecto a las emisiones globales de CO2 y su efecto en el cambio climático ha llevado a que éste transite hacia tecnologías más eficientes y medioambientalmente sostenibles. Sin embargo, el ritmo de transformación es lento en relación a lo que se necesita para frenar el calentamiento global existente. En este sentido, en los últimos tiempos los caminos hacia la transformación se han diversificado; el concepto de "defossilization" ha surgido como alternativa a la descarbonización, ya que destaca la posibilidad de incluir una mayor cantidad de combustibles sintéticos y renovables, con los cuales se pueden obtener resultados igualmente efectivos. Dentro de estos, destacan los combustibles Polioximetileno dimetil éter (OMEn), su carácter oxigenado y no poseer enlaces carbono-carbono, los hace prometedores respecto a la formación de hollín. Además, presentan grandes similitudes y compatibilidades con el diésel convencional, lo cual posibilita el uso de la flota de vehículos con motores de combustión interna existente a nivel mundial, acelerando así la transición y siendo una alternativa con alcance global. La presente tesis tiene como objetivo llevar a cabo un estudio fundamental sobre el proceso de combustión y la estructura de la llama de chorros tipo Diésel cuando se utilizan combustibles tipo OMEn. Para la consecución de dicho objetivo, la metodología planteada es eminentemente computacional, encontrando aquí las mayores brechas en la literatura. Se lleva a cabo un estudio de la cinética química y el efecto de la difusión en los combustibles estudiados mediante configuraciones canónicas, como reactores homogéneos y flamelets de contraflujo. Posteriormente, se estudia detalladamente el proceso de combustión y la estructura de la llama mediante el uso extensivo de Dinámica de fluidos computacional (CFD, en inglés), con modelos de turbulencia RANS y LES, en conjunto con un modelo de combustión avanzado basado en el concepto de flamelets, denominado UFPV. Todos los casos estudiados están definidos siguiendo las directrices de la Engine Combustion Network (ECN), los cuales representan chorros inyectados en ambientes quiescentes con toberas monoorificio. Particularmente, se evalúan los Sprays A y D, y el impacto de variar la temperatura ambiente. Como conclusión general, se puede afirmar que estos modelos CFD predicen correctamente el desarrollo de la combustión bajo las condiciones analizadas, y que estos combustibles son capaces de desarrollar diferentes estructuras de llama altamente dependientes de las condiciones de contorno impuestas. / [CA] L'alt impacte del sector del transport respecte a les emissions globals de CO2 i el seu efecte en el canvi climàtic ha portat a que aquest transite cap a tecnologies més eficients i mediambientalment sostenibles. No obstant això, el ritme de transformació és lent en relació amb el que es necessita per frenar l'escalfament global existent. En aquest sentit, en els últims temps els camins cap a la transformació s'han diversificat; el concepte de "defossilització" ha sorgit com a alternativa a la descarbonització, ja que destaca la possibilitat d'incloure una major quantitat de combustibles sintètics i renovables, amb els quals es poden obtenir resultats igualment efectius. Dins d'aquests, destaquen els combustibles tipus polioximetilen dimetil èters (OMEn), el seu caràcter oxigenat i al no posseir enllaços carbó-carbó, els fa prometedors respecte a la formació de sutge. A més, presenten grans semblances i compatibilitats amb el dièsel convencional, la qual cosa possibilita l'ús de la flota de vehicles amb motors de combustió interna existent a nivell mundial, accelerant així la transició i essent una alternativa amb abast global. La present tesi té com a objectiu dur a terme un estudi basic sobre el procés de combustió i l'estructura de la flama de dolls tipus Dièsel quan s'utilitzen combustibles tipus OMEn. Per a la consecució d'aquest objectiu, la metodologia plantejada és eminentment computacional, trobant ací les majors mancances en la literatura. Es realitza un estudi de la cinètica química i l'efecte de la difusió en els combustibles estudiats mitjançant configuracions canòniques, com ara reactors homogenis i flamelets de contraflux. Posteriorment, s'estudia detalladament el procés de combustió i l'estructura de la flama mitjançant l'ús extensiu de dinàmica de fluids computacional (CFD, en anglés), amb models de turbulència RANS i LES, conjuntament amb un model de combustió avançat basat en el concepte de flamelets, anomenat UFPV. Tots els casos estudiats estan definits seguint les directrius de l'Engine Combustion Network (ECN, en anglés), els quals representen dolls injectats en ambients quiescents amb toveres mono-orifici. Particularment, s'avaluen els Sprays A i D, i l'impacte de variar la temperatura ambient. Com a conclusió general, es pot afirmar que aquests models CFD prediuen correctament el desenvolupament de la combustió sota les condicions analitzades, i que aquests combustibles són capaços de desenvolupar diferents estructures de flama altament dependents de les condicions de contorn imposades. / [EN] The significant impact of the transportation sector on global CO2 emissions and its effect on climate change has led to a shift towards more efficient and environmentally sustainable technologies. However, the pace of this transformation is slow relative to what is needed to mitigate existing global warming. In this regard, pathways toward transformation have diversified recently, with the concept of defossilization emerging as an alternative to decarbonization. Defossilization emphasizes the possibility of incorporating a greater variety of synthetic and renewable fuels, which can yield equally effective results. Among these alternatives, Polyoxymethylene dimethyl ether ($OMEn$) fuels stand out due to their oxygenated character and absence of carbon-carbon bonds, making them promising in reducing soot formation. Furthermore, their similarities and compatibilities with conventional diesel enable the utilization of the existing global fleet of internal combustion engine vehicles, thus potentially accelerating the transition on a global scale. This thesis aims to conduct a fundamental study on the combustion process and flame structure of Diesel-like sprays when OMEn-type fuels are utilized. To achieve this objective, the proposed methodology is eminently computational, addressing significant gaps in the existing literature. A study of chemical kinetics and diffusion effects in the fuels under investigation uses canonical configurations such as homogeneous reactors and counterflow flamelets. Subsequently, the combustion process and flame structure are examined in detail through extensive Computational fluid dynamics (CFD) simulations, employing RANS and LES turbulence models in conjunction with an advanced combustion model based on the flamelet concept, UFPV. All studied cases are defined according to the Engine Combustion Network (ECN) guidelines, representing sprays injected into quiescent environments with single-hole nozzles. Specifically, Spray A and D are evaluated, along with the impact of varying ambient temperatures. In conclusion, it can be affirmed that the CFD models accurately predict combustion development under the analysed conditions, and these fuels can develop different flame structures highly dependent on the imposed boundary conditions. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through a grant from Vicerrectorado de Investigación of Universitat Politècnica de València with reference FPI UPV SUBP2 (PAID-01-20) / De León Ceriani, D. (2024). Evaluation by Detailed CFD Modelling of the Effect of Renewable Fuels on the Flame Structure under Compression Ignition Engine Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207008

This thesis details the development, verification and validation of an unsteady unstructured high order (≥ 3) h/p Discontinuous Galerkin - Fourier solver for the incompressible Navier-Stokes equations on static and rotating meshes in two and three dimensions. This general purpose solver is used to provide insight into cross-flow (wind or tidal) turbine physical phenomena. Simulation of this type of turbine for renewable energy generation needs to account for the rotational motion of the blades with respect to the fixed environment. This rotational motion implies azimuthal changes in blade aero/hydro-dynamics that result in complex flow phenomena such as stalled flows, vortex shedding and blade-vortex interactions. Simulation of these flow features necessitates the use of a high order code exhibiting low numerical errors. This thesis presents the development of such a high order solver, which has been conceived and implemented from scratch by the author during his doctoral work. To account for the relative mesh motion, the incompressible Navier-Stokes equations are written in arbitrary Lagrangian-Eulerian form and a non-conformal Discontinuous Galerkin (DG) formulation (i.e. Symmetric Interior Penalty Galerkin) is used for spatial discretisation. The DG method, together with a novel sliding mesh technique, allows direct linking of rotating and static meshes through the numerical fluxes. This technique shows spectral accuracy and no degradation of temporal convergence rates if rotational motion is applied to a region of the mesh. In addition, analytical mappings are introduced to account for curved external boundaries representing circular shapes and NACA foils. To simulate 3D flows, the 2D DG solver is parallelised and extended using Fourier series. This extension allows for laminar and turbulent regimes to be simulated through Direct Numerical Simulation and Large Eddy Simulation (LES) type approaches. Two LES methodologies are proposed. Various 2D and 3D cases are presented for laminar and turbulent regimes. Among others, solutions for: Stokes flows, the Taylor vortex problem, flows around square and circular cylinders, flows around static and rotating NACA foils and flows through rotating cross-flow turbines, are presented.

Cette thèse présente la Simulation des Grandes Echelles (LES) de l’injection, de la pulvérisation et de la cavitation dans un injecteur pour les applications liées aux moteurs à combustion interne. Pour la modélisation de l’atomisation, on utilise le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization). Le modèle résout la fraction volumique du combustible liquide ainsi que la densité de surface d’interface liquide-gaz pour décrire le processus complet d’atomisation. Dans cette thèse, l’écoulement à l’intérieur de l’injecteur est également pris en compte pour une étude ultérieure de l’atomisation. L’étude présente l’application du modèle ELSA à un injecteur Diesel typique, à la fois dans le contexte de RANS et de LES.Le modèle est validé à l’aide de données expérimentales disponibles dans Engine Combustion Network (ECN). Le modèle ELSA, qui est normalement conçu pour les interfaces diffuses (non résolues), lorsque l’emplacement exact de l’interface liquide-gaz n’est pas pris en compte, est étendu pour fonctionner avec une formulation de type Volume of Fluid (VOF) de flux à deux phases, où l’interface est explicitement résolu. Le couplage est réalisé à l’aide de critères IRQ (Interface Resolution Quality), qui prennent en compte à la fois la courbure de l’interface et la quantité modélisée de la surface de l’interface. Le modèle ELSA est développé en premier lieu en considérant les deux phases comme incompressibles. L’extension à la phase compressible est également brièvement étudiée dans cette thèse. Il en résulte une formulation ELSA compressible qui prend en compte la densité variable de chaque phase. En collaboration avec l’Imperial College de Londres, la formulation de la fonction de densité de probabilité (PDF) avec les champs stochastiques est également explorée afin d’étudier l’atomisation. Dans les systèmes d’injection de carburant modernes, la pression locale à l’intérieur de l’injecteur tombe souvent en dessous de la pression de saturation en vapeur du carburant, ce qui entraîne une cavitation. La cavitation affecte le flux externe et la formulation du spray. Ainsi, une procédure est nécessaire pour étudier le changement de phase ainsi que la formulation du jet en utilisant une configuration numérique unique et cohérente. Une méthode qui couple le changement de phase à l’intérieur de l’injecteur à la pulvérisation externe du jet est développée dans cette thèse. Ceci est réalisé en utilisant le volume de formulation de fluide où l’interface est considérée entre le liquide et le gaz; le gaz est composé à la fois de vapeur et d’airambiant non condensable. / This thesis presents Large Eddy Simulation (LES) of fuel injection, atomization and cavitation inside the fuel injector for applications related to internal combustion engines. For atomization modeling, Eulerian Lagrangian Spray Atomization (ELSA) model is used. The model solves for volume fraction of liquid fuel as well as liquid-gas interface surface density to describe the complete atomization process. In this thesis, flow inside the injector is also considered for subsequent study of atomization. The study presents the application of ELSA model to a typical diesel injector, both in the context of RANS and LES. The model is validated with the help of experimental data available from Engine Combustion Network (ECN). The ELSA model which is normally designed for diffused (unresolved) interfaces, where the exact location of the liquid-gas interface is not considered, is extended to work with Volume of Fluid (VOF) type formulation of two phase flow, where interface is explicitly resolved. The coupling is achieved with the help of Interface Resolution Quality (IRQ) criteria, that takes into account both the interface curvature and modeled amount of interface surface. ELSA model is developed first considering both phases as incompressible, the extension to compressible phase is also briefly studied in this thesis, resulting in compressible ELSA formulation that takes into account varying density in each phase. In collaboration with Imperial College London, the Probability Density Function (PDF) formulation with Stochastic Fields is also explored to study atomization. In modern fuel injection systems, quite oftenthe local pressure inside the injector falls below the vapor saturation pressure of the fuel, resulting in cavitation. Cavitation effects the external flow and spray formulation. Thus, a procedure is required to study the phase change as well as jet formulation using a single and consistent numerical setup. A method is developed in this thesis that couples the phase change inside the injector to the external jet atomization. This is achieved using the volume of fluid formulation where the interface is considered between liquid and gas; gas consists of both the vapor and non condensible ambient air.

[ES] El proyecto ESTiMatE nace con el objetivo de mejorar la precisión de las predicciones de hollín para la reducción de emisiones y una mayor sostenibilidad ambiental en la aviación. Para ello es crucial comprender a fondo fenómenos que influyen en la formación de hollín, incluyendo atomización del combustible, mezcla, combustión y formación de emisiones. La presente tesis, como parte del proyecto, se centra en el primer paso para caracterizar las spray flames, el proceso de atomización del líquido. Existen modelos empíricos para ello, pero el objetivo de este trabajo es desarrollar un nuevo modelo fenomenológico a través de simulaciones de alta fidelidad. Se propone acoplar este modelo a los códigos PRECISE-UNS y Alya para inyectar gotas en simulaciones Lagrangianas, reproduciendo de forma efectiva las características clave de atomización primaria en la formación del spray. Realizar estudios sobre la configuración anular de atomizadores prefilming airblast es un gran desafío, por lo que los esfuerzos se han enfocado en la configuración plana como alternativa que proporciona información valiosa. El KIT ha hecho contribuciones notables en este sentido al desarrollar un banco de pruebas de configuración plana, generando una base de datos extensa con resultados que abarcan diversos fluidos de trabajo y condiciones de operación para validar los cálculos. Esta tesis investiga la atomización primaria en estos dispositivos con un enfoque computacional a través de simulaciones eDNS con el código PARIS Simulator. Se utilizan simulaciones VOF-DNS del borde del atomizador para obtener información, y simulaciones LES monofásicas precursoras que permiten tener en cuenta la turbulencia del gas en la entrada. No obstante, se han propuesto dos metodologías derivadas a partir de eDNS, extendiéndola con simulaciones LES bifásicas adicionales. La primera de ellas impone un espesor y velocidad constantes para la película líquida en la entrada, pero sus valores medios se obtienen procesando las nuevas simulaciones LES bifásicas. Esta metodología ha sido validada para una condición de operación de referencia, representativa del reencendido en altitud. La segunda, introduce un espesor y velocidad variables de la película líquida, constituyendo una condición de contorno más realista. Se han realizado dos estudios diferentes. Por un lado, utilizando la primera metodología, se realizó un estudio paramétrico para investigar el impacto de la velocidad media del gas y las propiedades del fluido en la formación de estructuras líquidas. Al variar estos parámetros se observan diferencias en los mecanismos de ruptura basadas en M como en la literatura. La base para un modelo fenomenológico se ha establecido utilizando estos resultados y puede extenderse con más condiciones de operación siguiendo la metodología descrita. Por otra parte, se ha realizado una comparación entre ambas metodologías para considerar la influencia de la historia de la película de combustible en la atomización primaria. En este estudio, al mejorar las condiciones de contorno a la entrada, se ha reproducido con éxito la fenomenología presente en los experimentos, al contrario que con la eDNS estándar. Se ha propuesto una nueva técnica de postprocesado para caracterizar las estructuras líquidas. Los métodos habituales detectan gotas en un dominio 3D, pero solamente detectan ligamentos en una proyección 2D utilizando optimización de funciones algebraicas. Sin embargo, este nuevo método es capaz de encontrar gotas y ligamentos en 3D mediante OpenCV. También ha sido validado con resultados de la literatura. Con todo, la tesis ha sentado las bases para el desarrollo de modelos específicos de atomización airblast mediante simulaciones de alta fidelidad, contribuyendo a una mejor predicción de los fenómenos de inyección, atomización, evaporación, mezcla y combustión de aeromotores que permita realizar un diseño más eficiente de éstos hacia una movilidad aérea sostenible. / [CA] El projecte ESTiMatE naix amb l'objectiu de millorar la precisió de les prediccions de sutge per a la reducció d'emissions i una major sostenibilitat ambiental en l'aviació. Per això, és crucial comprendre a fons fenòmens que influeixen en la formació de sutge, incloent atomització del combustible, mescla, combustió i formació d'emissions. La present tesi, com a part del projecte, se centra en el primer pas per caracteritzar les spray flames, el procés d'atomització del líquid. Existeixen alguns models empírics per això, però l'objectiu d'aquest treball és desenvolupar un nou model fenomenològic a través de simulacions d'alta fildelitat. Es proposa acoblar aquest model als codis PRECISE-UNS i Alya per injectar gotes en simulacions Lagrangianes, reproduint de manera efectiva les característiques clau d'atomització primària en la formació de l'spray. Realitzar estudis sobre la configuració anul·lar d'atomitzadors prefilming airblast és un gran desafiament, per la qual cosa els investigadors han enfocat els seus esforços en la configuració plana com alternativa que proporciona informació valuosa. El KIT ha fet contribucions notables en aquest sentit en desenvolupar un banc de proves de configuració plana, generant una base de dades extensa amb resultats que abasten diversos fluids de treball i condicions d'operació per a validar els càlculs. Esta tesi investiga l'atomització primària en aquests dispositius amb un enfocament computacional a través de simulacions eDNS emprant el codi PARIS Simulator. S'utilitzen simulacions VOF-DNS de la vora de l'atomitzador per a obtindre informació, i simulacions LES monofàsiques precursores que permeten tindre en compte la turbulència del gas a l'entrada. No obstant això, s'han proposat dues noves metodologies derivades a partir de eDNS, estenent-la amb simulacions LES bifàsiques addicionals. La primera d'elles imposa una grossària i velocitat constants per a la pel·lícula líquida en l'entrada, però els seus valors mitjans s'obtenen processant les noves simulacions LES bifàsiques. Aquesta metodologia ha sigut validada per a una condició d'operació de referència, representativa de la reencesa en altitud. La segona, introduïx una grossària i velocitat variables de la pel·lícula líquida, constituint una condició de contorn més realista. S'han realitzat dos estudis diferents. D'una banda, utilitzant la primera metodologia, es va realitzar un estudi paramètric per a investigar l'impacte de la velocitat mitjana del gas i les propietats del fluid en la formació d'estructures líquides. En variar estos paràmetres s'observen diferènciesen els mecanismes de ruptura basades en M com a la literatura. La base per a un model fenomenològic s'ha establit utilitzant aquests resultats i pot estendre's amb més condicions d'operació seguint la metodologia descrita. D'altra banda, s'ha realitzat en paral·lel una comparació entre totes dues metodologies per a considerar la influència de la història de la pel·lícula de combustible en l'atomització primària. En aquest estudi, en millorar les condicionsde contorn a l'entrada, s'ha reproduït amb èxit la fenomenologia present en els experiments, al contrari que amb la eDNS estàndard. S'ha proposat una nova tècnica de postprocessament per a caracteritzar les estructures líquides. Els mètodes habituals detecten gotes en un domini 3D, però solament detecten lligaments en una projecció 2D utilitzant optimització de funcions algebraiques. No obstant això, aquest nou mètode és capaç de trobar gotes i lligaments en 3D mitjançant la llibrería OpenCV. També ha sigut validat amb resultats de la literatura. Amb tot, la tesi ha establit les bases per al desenvolupament de models específics d'atomització airblast mitjançant simulacions d'alta fidelitat, contribuïnt a una millor predicció dels fenòmens d'injecció, atomització, evaporació, mescla i combustió dels aeromotors que permeta realitzar un disseny més eficient dels mateixos cap a una mobilitat aèria sostenible. / [EN] The project ESTiMatE emerges aiming to enhance the precision of soot predictions leading to reduced emissions and improved environmental sustainability in aviation. To achieve this, it is crucial to thoroughly understand various phenomena that influence soot formation, including fuel atomization, mixing, combustion, and subsequent emissions formation. The present thesis, as part of the project, focuses in the first step to characterize spray flames, the liquid atomization process. There exist some empirical models to characterize atomization, but the objective of this specific work package is to develop a new phenomenological model through high-fidelity simulations instead of empirical results. This model is proposed to be coupled to the PRECISE-UNS and Alya codes to inject droplets in Lagrangian simulations, effectively reproducing the key features of the primary atomization process on the spray formation. Conducting fundamental studies on the annular configuration of prefilming airblast atomizers is challenging, so researchers have directed their attention towards planar configurations as an alternative that can provide valuable insights. The KIT has made notable contributions in this regard by developing a dedicated planar test rig, generating a substantial database of results encompassing various working fluids and operating conditions for validation. This thesis investigates primary atomization in these devices with a computational approach using eDNS within the PARIS Simulator code. VOF-DNS simulations of the atomizing Edge are performed to obtain useful data, and precursor one-phase LES simulations in order to account for gas inflow turbulence at the DNS inlet. Nevertheless, two methodologies have been derived from eDNS, extending it with additional precursor two-phase LES simulations. The first one, imposes constant liquid film thickness and velocity at the DNS inlet, but their mean values are obtained processing the new two-phase LES simulations. It has been validated for a reference operating condition, representative of altitude relight. The second one, introduces variable liquid film thickness and velocity instead, constituting a more realistic boundary condition for the DNS. Two different studies have been conducted in this regard. On the one hand, using the former methodology, a parametric study was performed to investigate the impact of mean gas velocity and fluid properties on the formation of liquid structures. By varying these parameters differences on the breakup mechanisms are observed based on M as found in the literature. The basis for a phenomenological model has been established using these results, and it can be extended with more operating conditions following the described methodology. On the other hand, a comparison between both methodologies has been carried out in parallel, in order to account for the influence of film history on the primary atomization process. In this study, by improving the inlet boundary conditions, the phenomenology observed in the experiments has been succesfully reproduced, unlike with the standard eDNS. A novel post-processing technique for characterizing liquid structures has been proposed. Usual post-processing methods detect droplets in a 3D domain, but only detect ligaments in a top view 2D projection of it using algebraic functions optimization. However, this new method is able to find both droplets and ligaments as well as its 3D properties using the Open Computer Vision Library (OpenCV) instead. It has been also validated with the results in the literature. Overall, the thesis has laid the foundations for the development of specific airblast atomization models through the use of high-fidelity simulations,contributing to a better prediction of the injection, atomization, evaporation, mixing and combustion phenomena in aero engines, enabling a more efficient design towards sustainable air mobility. / Moreno Montagud, C. (2024). Computational Modelling of the Primary Atomization in Aero Engine Airblast Atomizers through a DNS Approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211359

[ES] La investigación realizada como parte de este doctorado industrial en COMET Ingeniería y la Universitat Politècnica de València aborda el problema crítico de las cargas vibroacústicas durante la fase de despegue de los lanzadores espaciales. Estas son una amenaza para la integridad de la carga de pago. El enfoque es mejorar el comportamiento vibroacústico de los vehículos de lanzamiento mediante el desarrollo de tecnologías de mitigación y una metodología de predicción numérica. Se han identificado dos fases: predecir la generación y propagación del ruido aeroacústico y diseñar sistemas de mitigación del ruido. El objetivo en la predicción aeroacústica es doble: abordar la predicción imprecisa de la carga acústica durante el lanzamiento y comprender los mecanismos que modifican el campo acústico. Las condiciones hostiles de este entorno limitan la medición del ruido emitido por un vehículo de lanzamiento. Por tanto, hemos propuesto un método numérico basado en las mismas ecuaciones para resolver la generación y propagación del ruido con CFD. La primera estrategia que proponemos es un modelo de URANS, que ofrece factibilidad computacional con la capacidad de calcular campos de flujo promediados en conjunto mientras retiene el término transitorio. La segunda estrategia es una LES, que proporciona mayor precisión en un código diseñado para una eficiente computación con GPU. El estudio simula el entorno acústico durante el lanzamiento de un cohete VEGA con ambas estrategias. Los modelos CFD se han validado utilizando datos de lanzamientos reales, demostrando su eficacia en predecir ondas de choque, flujo turbulento y propagación del campo acústico. El estudio también explora el impacto de los deflectores en las cargas acústicas, enfatizando la importancia de la elección y forma del deflector. Además del campo cercano del chorro del cohete, se estudia el campo de presión en la cofia como novedad en este trabajo. Para la mitigación del ruido, la investigación se centra en metamateriales acústicos basados en resonadores de Helmholtz. Esta solución puede proporcionar una absorción casi perfecta dentro de la gama de sub-longitudes de onda y es totalmente sintonizable. El enfoque propuesto se basa en dos etapas para reducir el campo acústico que ingresa a la cofia. En primer lugar, se reduce el ruido en el camino de propagación en la plataforma, lo que disminuye el ruido de banda ancha hacia la cofia. En segundo lugar, se aumenta la TL de la carcasa de la cofia, lo que reduce el SPL que ingresa, y se maximiza la absorción interna para atenuar la reverberación. Se han realizado tres diseños de metamateriales: RTA para la plataforma de lanzamiento, SRA para el carenado y CHAR para aplicaciones multifuncionales en el carenado. Campañas experimentales validan la eficacia de estos metamateriales en la reducción del ruido, con logros destacados en coeficientes de absorción y pérdida de transmisión. La combinación de RTA y SRA en el lanzador VEGA resulta en una reducción del OASPL de 7.8 dB. Además, el CHAR ha sido diseñado para incorporar resonadores de Helmholtz en la estructura compuesta tipo sándwich de la cofia, con el objetivo de mejorar tanto las propiedades estructurales como la absorción de energía acústica al tiempo que proporciona un material ligero. Se exploran dos tipos de núcleos, siendo el diseño hexagonal el más eficiente en términos de masa y rendimiento estructural. Los hallazgos presentan una técnica innovadora de dos etapas para disminuir las cargas acústicas que llegan al carenado durante el despegue, reduciendo el riesgo de fallas técnicas. La solución propuesta supera a los materiales existentes de reducción de ruido, ofreciendo opciones de diseño personalizables adaptadas a entornos acústicos específicos. Además, los metamateriales exhiben una capacidad única para una absorción casi perfecta en frecuencias específicas, mostrando su potencial para aplicaciones prácticas en la industria aeroespacial. / [CA] La investigació realitzada com a part d'este doctorat industrial en *COMET Enginyeria i la Universitat Politècnica de València aborda el problema crític de les càrregues *vibroacústicas durant la fase d'enlairament dels llançadors espacials. Estes són una amenaça per a la integritat de la càrrega de pagament. L'enfocament és millorar el comportament *vibroacústico dels vehicles de llançament mitjançant el desenvolupament de tecnologies de mitigació i una metodologia de predicció numèrica. S'han identificat dos fases: predir la generació i propagació del soroll *aeroacústico i dissenyar sistemes de mitigació del soroll. L'objectiu en la predicció *aeroacústica és doble: abordar la predicció imprecisa de la càrrega acústica durant el llançament i comprendre els mecanismes que modifiquen el camp acústic. Les condicions hostils d'este entorn limiten el mesurament del soroll emés per un vehicle de llançament. Per tant, hem proposat un mètode numèric basat en les mateixes equacions per a resoldre la generació i propagació del soroll amb *CFD. La primera estratègia que proposem és un model de *URANS, que oferix factibilitat computacional amb la capacitat de calcular camps de flux fets una mitjana d'en conjunt mentres reté el terme transitori. La segona estratègia és una ELS, que proporciona major precisió en un codi dissenyat per a una eficient computació amb *GPU. L'estudi simula l'entorn acústic durant el llançament d'un coet VEGA amb totes dues estratègies. Els models *CFD s'han validat utilitzant dades de llançaments reals, demostrant la seua eficàcia a predir ones de xoc, flux turbulent i propagació del camp acústic. L'estudi també explora l'impacte dels deflectors en les càrregues acústiques, emfatitzant la importància de l'elecció i forma del deflector. A més del camp pròxim del doll del coet, s'estudia el camp de pressió en la còfia com a novetat en este treball. Per a la mitigació del soroll, la investigació se centra en *metamateriales acústics basats en ressonadors de *Helmholtz. Esta solució pot proporcionar una absorció quasi perfecta dins de la gamma de *sub-longituds d'ona i és totalment sintonitzable. L'enfocament proposat es basa en dos etapes per a reduir el camp acústic que ingressa a la còfia. En primer lloc, es reduïx el soroll en el camí de propagació en la plataforma, la qual cosa disminuïx el soroll de banda ampla cap a la còfia. En segon lloc, s'augmenta la *TL de la carcassa de la còfia, la qual cosa reduïx el *SPL que ingressa, i es maximitza l'absorció interna per a atenuar la reverberació. S'han realitzat tres dissenys de *metamateriales: *RTA per a la plataforma de llançament, *SRA per al carenat i *CHAR per a aplicacions multifuncionals en el carenat. Campanyes experimentals validen l'eficàcia d'estos *metamateriales en la reducció del soroll, amb assoliments destacats en coeficients d'absorció i pèrdua de transmissió. La combinació de *RTA i *SRA en el llançador VEGA resulta en una reducció del *OASPL de 7.8 dB. A més, el *CHAR ha sigut dissenyat per a incorporar ressonadors de *Helmholtz en l'estructura composta tipus sàndwitx de la còfia, amb l'objectiu de millorar tant les propietats estructurals com l'absorció d'energia acústica al mateix temps que proporciona un material lleuger. S'exploren dos tipus de nuclis, sent el disseny hexagonal el més eficient en termes de massa i rendiment estructural. Les troballes presenten una tècnica innovadora de dos etapes per a disminuir les càrregues acústiques que arriben al carenat durant l'enlairament, reduint el risc de falles tècniques. La solució proposada supera als materials existents de reducció de soroll, oferint opcions de disseny personalitzables adaptades a entorns acústics específics. A més, els *metamateriales exhibixen una capacitat única per a una absorció quasi perfecta en freqüències específiques, mostrant el seu potencial per a aplicacions pràctiques en la indústria aeroespacial. / [EN] The research carried out as part of this industrial doctorate at COMET Ingeniería and the Universitat Politècnica de València addresses the critical problem of vibro-acoustic loads during the liftoff phase of space launchers. These are a threat to the integrity of the payload. The approach is to improve the vibroacoustic behaviour of launch vehicles by developing mitigation technologies and a numerical prediction methodology. Two phases have been identified: predicting the generation and propagation of aeroacoustic noise and designing noise mitigation systems. The objective in aeroacoustic prediction is twofold: to address the inaccurate prediction of the acoustic load during launch and to understand the mechanisms that modify the acoustic field. The hostile conditions of this environment limit the measurement of the noise emitted by a launch vehicle. Therefore, we have proposed a numerical method based on the same equations to solve the noise generation and propagation with CFD. The first strategy we propose is a URANS model, which offers computational feasibility with the ability to compute ensemble-averaged flow fields while retaining the transient term. The second strategy is an LES, which provides higher accuracy in a code designed for efficient GPU computing. The study simulates the acoustic environment during the launch of a VEGA rocket with both strategies. The CFD models have been validated using data from real launches, demonstrating their effectiveness in predicting shock waves, turbulent flow and acoustic field propagation. The study also explores the impact of baffles on acoustic loads, emphasising the importance of baffle choice and shape. In addition to the near-field of the rocket jet, the pressure field in the cowling is studied as a novelty in this work. For noise mitigation, the research focuses on acoustic metamaterials based on Helmholtz resonators. This solution can provide near-perfect absorption within the sub-wavelength range and is fully tunable. The proposed approach is based on two steps to reduce the acoustic field entering the coping. First, the noise in the propagation path on the platform is reduced, which decreases the broadband noise towards the coping. Secondly, the TL of the coping shell is increased, which reduces the incoming SPL, and internal absorption is maximised to attenuate reverberation. Three metamaterial designs have been realised: RTA for the launch pad, SRA for the fairing and CHAR for multifunctional applications in the fairing. Experimental campaigns validate the effectiveness of these metamaterials in noise reduction, with outstanding achievements in absorption coefficients and transmission loss. The combination of RTA and SRA in the VEGA launcher results in an OASPL reduction of 7.8 dB. In addition, CHAR has been designed to incorporate Helmholtz resonators into the sandwich composite structure of the shell, with the aim of improving both structural properties and acoustic energy absorption while providing a lightweight material. Two types of cores are explored, with the hexagonal design being the most efficient in terms of mass and structural performance. The findings present an innovative two-stage technique to decrease the acoustic loads reaching the fairing during take-off, reducing the risk of technical failure. The proposed solution outperforms existing noise reduction materials, offering customisable design options tailored to specific acoustic environments. In addition, the metamaterials exhibit a unique capability for near-perfect absorption at specific frequencies, showing their potential for practical applications in the aerospace industry. / Escartí Guillem, MS. (2024). Aeroacoustic Improvements during Lift-off of Launch Vehicles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204805

A high-order central essentially non-oscillatory (CENO) finite-volume scheme in combination with a block-based adaptive mesh refinement (AMR) algorithm is proposed for solution of hyperbolic and elliptic systems of conservation laws on body- fitted multi-block mesh. The spatial discretization of the hyperbolic (inviscid) terms is based on a hybrid solution reconstruction procedure that combines an unlimited high-order k-exact least-squares reconstruction technique following from a fixed central stencil with a monotonicity preserving limited piecewise linear reconstruction algorithm. The limited reconstruction is applied to computational cells with under-resolved solution content and the unlimited k-exact reconstruction procedure is used for cells in which the solution is fully resolved. Switching in the hybrid procedure is determined by a solution smoothness indicator. The hybrid approach avoids the complexity associated with other ENO schemes that require reconstruction on multiple stencils and therefore, would seem very well suited for extension to unstructured meshes. The high-order elliptic (viscous) fluxes are computed based on a k-order accurate average gradient derived from a (k+1)-order accurate reconstruction. A novel h-refinement criterion based on the solution smoothness indicator is used to direct the steady and unsteady refinement of the AMR mesh. The predictive capabilities of the proposed high-order AMR scheme are demonstrated for the Euler and Navier-Stokes equations governing two-dimensional compressible gaseous flows as well as for advection-diffusion problems characterized by the full range of Peclet numbers, Pe. The ability of the scheme to accurately represent solutions with smooth extrema and yet robustly handle under-resolved and/or non-smooth solution content (i.e., shocks and other discontinuities) is shown for a range of problems. Moreover, the ability to perform mesh refinement in regions of smooth but under-resolved and/or non-smooth solution content to achieve the desired resolution is also demonstrated.

A high-order central essentially non-oscillatory (CENO) finite-volume scheme in combination with a block-based adaptive mesh refinement (AMR) algorithm is proposed for solution of hyperbolic and elliptic systems of conservation laws on body- fitted multi-block mesh. The spatial discretization of the hyperbolic (inviscid) terms is based on a hybrid solution reconstruction procedure that combines an unlimited high-order k-exact least-squares reconstruction technique following from a fixed central stencil with a monotonicity preserving limited piecewise linear reconstruction algorithm. The limited reconstruction is applied to computational cells with under-resolved solution content and the unlimited k-exact reconstruction procedure is used for cells in which the solution is fully resolved. Switching in the hybrid procedure is determined by a solution smoothness indicator. The hybrid approach avoids the complexity associated with other ENO schemes that require reconstruction on multiple stencils and therefore, would seem very well suited for extension to unstructured meshes. The high-order elliptic (viscous) fluxes are computed based on a k-order accurate average gradient derived from a (k+1)-order accurate reconstruction. A novel h-refinement criterion based on the solution smoothness indicator is used to direct the steady and unsteady refinement of the AMR mesh. The predictive capabilities of the proposed high-order AMR scheme are demonstrated for the Euler and Navier-Stokes equations governing two-dimensional compressible gaseous flows as well as for advection-diffusion problems characterized by the full range of Peclet numbers, Pe. The ability of the scheme to accurately represent solutions with smooth extrema and yet robustly handle under-resolved and/or non-smooth solution content (i.e., shocks and other discontinuities) is shown for a range of problems. Moreover, the ability to perform mesh refinement in regions of smooth but under-resolved and/or non-smooth solution content to achieve the desired resolution is also demonstrated.

Die Effektivität keramischer Wärmeübertrager kann durch eine feinere Strukturierung der Oberflächen gesteigert werden. Dies kann durch die Integration textiler Urformen anstatt der konventionell im Schlickguss hergestellten gröberen Geometrien erfolgen. Für Strukturierungen in Form von wandgebundenen Halbbögen werden die Ergebnisse umfangreicher experimenteller und numerischer Untersuchungen zu den wärmetechnischen und strömungsmechanischen Eigenschaften vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen der mittels numerischer Simulation durchgeführten Parameterstudie werden verschiedene Empfehlungen für eine optimierte Anordnung der Halbbögen gegeben, um das Verhältnis von Wärmeübergang zur Druckverlust zu verbessern. Die experimentellen Ergebnisse belegen die Richtigkeit der gewählten Randbedingungen und Vereinfachungen im numerischen Modell. Des Weiteren wurden die Strömungsstrukturen mit laserdiagnostischen Messmethoden umfangreich charakterisiert.