El objetivo del siguiente trabajo es establecer el comportamiento de un perfil aerodinámico cuando éste se acerca al suelo, además de buscar otros fenómenos que se producen en dicho acercamiento (como en la estabilidad por ejemplo). Para alcanzar los objetivos y luego de una revisión de las bases teóricas del tema, se preparó un programa de simulación basado en el método de vórtices discretos en fluidos bidimensionales cuyos resultados permitieran observar como variaban estos fenómenos en relación a la cercanía al suelo. Para comprobar la fidelidad de los resultados obtenidos se compararon algunos de éstos con conceptos teóricos ideales y con resultados experimentales de túneles de viento, además de fuentes diversas sobre experimentos realizados sobre el fenómeno WIG (Wing in Ground). Luego de poner en práctica conjunta todos estos conceptos se pudo llegar a diversas conclusiones, las más importantes obviamente relacionadas con los objetivos de trabajo:  La sustentación de un perfil aumenta cuando éste se acerca al suelo (a una distancia de 50% de la cuerda del perfil puede haber un aumento de aprox 30% en la sustentación).  Este perfil pierde estabilidad cuando se acerca al suelo (aumenta el momento de giro generado por las fuerzas de sustentación) Al tener gran cantidad de datos se pudo llegar a otras conclusiones como por ejemplo:  El efecto suelo es proporcional a la longitud de cuerda.  El efecto suelo tiene una variación geométrica respecto de la cercanía al suelo.  Un aeroplano puede sacar partido de este fenómeno para lograr performances mayores en alcance o capacidad de carga. A manera de sugerencia anexo en este trabajo algunos posibles temas que pueden ser desarrollados tomando éste como partida en cualquier parte, sea por aerodinámica, estudio del efecto suelo o la programación de la simulación en si.

Surface tension driven convection affects the propagation of chemical reaction fronts in liquids. The changes in surface tension across the front generate this type of convection. The resulting fluid motion increases the speed and changes the shape of fronts as observed in the iodate-arsenous acid reaction. We calculate these effects using a thin front approximation, where the reaction front is modeled by an abrupt discontinuity between reacted and unreacted substances. We analyze the propagation of reaction fronts of small curvature. In this case the front propagation equation becomes the deterministic Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) equation with the addition of fluid flow. These results are compared to calculations based on a set of reaction-diffusion-convection equations.

La presente tesis tuvo como objetivo estudiar frentes de reacción modelados mediante la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky sujetos a diferentes tipos de movimiento de fluido: flujo externo de Poiseuille, el cual es contrastado con el flujo de Couette, y flujo convectivo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. En el primer caso, los frentes se propagan a favor o en contra de un flujo estacionario bidimensional entre dos placas paralelas que se conoce como flujo de Poiseuille. Para pequeñas distancias entre las placas, encontramos frentes estacionarios que pueden ser planos, simétricos o asimétricos, dependiendo de la separación de las placas y de la velocidad promedio del fluido externo. Adicionalmente, descubrimos que los frentes simétricos estables que se propagan en sentido opuesto al flujo simétrico externo se vuelven asimétricos al incrementar la rapidez del flujo externo. En el caso del flujo externo de Couette, el flujo es producido por el movimiento de dos placas paralelas en sentidos opuestos. Hallamos que la estabilidad y la forma de los frentes estacionarios dependen de la velocidad relativa entre las placas y de su separación. Estos parámetros desempeñan un papel importante, puesto que pueden convertir frentes inestables en estables. En el último caso, las inestabilidades en el frente producidas cuando un fluido más denso se encuentra encima de un fluido menos denso se conocen como inestabilidades de Rayleigh-Taylor y son causadas por la diferencia de densidades a través del frente bajo la acción de la gravedad. El frente describe la interfaz delgada que separa los fluidos de diferente densidad dentro de dos placas paralelas verticales; mientras que la convección causada por las fuerzas de flotación a través de la interfaz delgada determina el flujo debido a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Para el estudio de los efectos del flujo externo sobre los frentes de reacción, primero obtuvimos los frentes y luego realizaremos un análisis de estabilidad lineal para determinar la estabilidad de los frentes bajo los tres tipos de movimiento del fluido. La forma de los frentes y sus respectivas regiones de estabilidad fueron contrastadas con los frentes en ausencia de flujo externo. Los resultados de la investigación fueron publicados en tres revistas internacionales arbitradas e indexadas: Physical Review E (2012), Chaos (2014), y European Physics Journal (2014). Adicionalmente, la tesis presenta resultados para frentes oscilantes y sus transiciones al caos debido a la interacción del frente de reacción con los flujos externos antes mencionados.

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

[EN] During the application of pesticides in tree crops with airblast sprayer only a fraction reaches vegetation, while the rest is lost in the atmosphere, soil or surface waters or evaporates quickly. These losses pose a risk to the environment and people. Growing environmental awareness in society and his concern for preserving the health of people and animals have stimulated important legislative actions that promote the improvement of the efficiency of the application of pesticides and reducing the risks associated with their use. The first step to achieve this goal is to quantify the amount of spray volume reaching each substrate (vegetation, soil and atmosphere). To quantify the losses, deposition or the mass balance applications have used different experimental methods carried out under field conditions. However, these tests are very expensive and time consuming. Also, when performed abroad, it is very difficult to control all the factors that influence the distribution of the spray and they are virtually impossible to reproduce. These limitations have prompted the development of physical-mathematical models to simulate the behavior of droplets during applications. The numerical approximation by Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a good choice The aim of this thesis was to design a first CFD model to simulate the overall behavior during treatments in citrus tree with airblast sprayer in Mediterranean conditions. First, an experiment was conducted to describe the actual air flow from airblast sprayer fan facing up to the top of an orange tree. It was noted there were two vortexes, one on top and another behind the tree. No such structures have been described in other tree crops. High foliage density produces flow separation and this is the reason for the turbulent structures. Then we proceeded to model the problem by assuming that the tree facing the current fan behaved like a solid. 12 CFD 2D-models were generated to reproduce the behavior of air against the tree, resulting from the combination of three air turbulence models (k- standard, SST k-ω, RSM) and four different geometries for the canopy tree in front of the fan. During the adjustment, it was found that a solid canopy could reproduce the same field vortexes. The SST k-ω model simulated the physical behavior better air than the traditional standard k- and RSM. The model was then validated with the first trial of the thesis. Finally they were introduced in the model 1,500 droplets to simulate the movement and deposition of particles during treatments (Eulerian-Lagrangian model). The simulation was divided into two parts: only air from the fan (from the droplets were in the air to 0,35 s) and air only from wind (after 0,35 s). It were studied the position and variables linked to the droplets (height, velocity etc.) at different times of the simulation, the dynamic behavior of cloud droplets and other parameters associated with the droplets droplets became with the wind during treatments (relaxation time, evaporation ratio etc.) and the final volume in each substrate (vegetation, soil, air) was quantified. The results were compared with an experimental mass balance: 44% volume was deposited in the target tree, 28% on adjacent trees, 20% in ground and 8% was lost by drift. Comparing with test data, model was similar to the target tree deposition and ground losses. / [ES] Durante la aplicación de fitosanitarios con turboatomizador en cultivos arbóreos sólo una fracción del caldo pulverizado alcanza la vegetación, mientras que el resto se pierde en la atmósfera o el suelo principalmente. Estas pérdidas suponen un riesgo para el medio ambiente y las personas. La creciente concienciación medioambiental de la sociedad ha estimulado acciones legislativas para la mejora de la eficiencia de la aplicación de fitosanitarios. El primer paso para lograr este objetivo es cuantificar la cantidad de volumen pulverizado en cada sustrato (vegetación, suelo y atmosfera). Para ello, se han utilizado diferentes métodos experimentales. Sin embargo, estos ensayos son caros, requieren mucho tiempo y son complejos por su dificultad para controlar todos los factores que influyen en la distribución de la pulverización. Estas limitaciones han impulsado el desarrollo de modelos físico-matemáticos para simular el comportamiento de las gotas durante las aplicaciones. La aproximación numérica mediante la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) puede ser una buena opción. Por ello, el objetivo de la presente tesis fue diseñar un modelo CFD para simular el comportamiento global de la pulverización durante los tratamientos en cítricos con turboatomizador en condiciones mediterráneas. En primer lugar, se realizó un experimento para describir el flujo real del aire desde que sale de un turboatomizador hasta que se enfrenta a la copa de un naranjo. Se observó que se formaban dos vórtices, uno sobre la copa y otro detrás del árbol. No se han descrito estas estructuras en otros cultivos. La alta densidad foliar induce una separación del flujo que da lugar a estas estructuras turbulentas. A continuación, se procedió a modelizar el problema asumiendo que el árbol enfrentado a la corriente del ventilador se comportaba como un sólido. Para ello se generaron 12 modelos CFD en 2D para reproducir el comportamiento del aire frente al árbol, resultantes de la combinación de tres modelos de turbulencia del aire (k-estándar, SST k-ω, RSM) y cuatro geometrías diferentes para la copa del árbol frente al ventilador. Durante el ajuste, se comprobó que con una copa sólida el modelo podía reproducir los mismos vórtices que en campo. El modelo SST k-ω simuló mejor el comportamiento físico del aire que el tradicional standard k- y el RSM. El modelo fue posteriormente validado con datos experimentales. Por último, se desarrolló un modelo Euleriano-Lagrangiano para simular el movimiento y deposición de las partículas durante los tratamientos que incluía tanto un modelo de las corrientes de aire generadas por el equipo, como el viento atmosférico, además del comportamiento individual de las gotas. En diferentes instantes de la simulación se estudió la posición y las variables ligadas a las gotas (altura, velocidad etc.), se hizo una estimación del comportamiento dinámico de la nube de gotas y de otros parámetros que se han asociado al comportamiento de las gotas frente al viento durante las aplicaciones fitosanitarias (tiempo de relajación, ratio de evaporación etc.) y se cuantificó el volumen final en cada sustrato. Los resultados predijeron que los porcentajes de caldo respecto al total pulverizado fueron: el 44% en el árbol objetivo, el 28% en los árboles adyacentes, el 20% en el suelo y un 8% se perdió como deriva. Finalmente, el modelo se comparó con un balance experimental de masas, con resultados similares en la deposición sobre la vegetación y el suelo. / [CA] Durant l'aplicació de fitosanitaris amb turboatomizador en cultius arboris només una fracció del caldo polvoritzat aconseguix la vegetació, mentres que la resta es perd en l'atmosfera o el sòl principalment. Estes pèrdues suposen un risc per al medi ambient i les persones. La creixent conscienciació mediambiental de la societat ha estimulat accions legislatives per a la millora de l'eficiència de l'aplicació de fitosanitaris. El primer pas per a aconseguir este objectiu és quantificar la quantitat de volum polvoritzat en cada substrat (vegetació, sòl i atmosfera). Per a això s'han utilitzat diferents mètodes experimentals. No obstant això, estos assajos són cars, requerixen molt de temps i són complexos per la seua dificultat per a controlar tots els factors que influïxen en la distribució de la polvorització. Estes limitacions han impulsat el desenrotllament de models fisicomatemàtics per a simular el comportament de les gotes durant les aplicacions. L'aproximació numèrica per mitjà de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) pot ser una bona opció. L'objectiu de la present tesi va ser dissenyar un primer model CFD per a simular el comportament global de la polvorització durant els tractaments en cítrics amb turboatomitzador en condicions mediterrànies. En primer lloc, es va realitzar un experiment per a descriure el comportament real del flux de l'aire des que ix d'un turboatomitzador fins que s'enfronta a la copa d'un taronger. Es va observar que es formaven dos vòrtexs, un sobre la copa i un altre darrere de l'arbre. No s'han descrit aquestes estructures en altres cultius. L'alta densitat foliar causa una separació del flux que dóna lloc a estes estructures turbulentes. A continuació, es va procedir a modelitzar el problema assumint que l'arbre enfrontat al corrent del ventilador es comportava com un sòlid. Per a això es van generar 12 models CFD en 2D per reproduir el comportament de l'aire davant de l'arbre, resultants de la combinació de tres models de turbulència de l'aire (k- estàndard, SST k-ω, RSM) i quatre geometries diferents per a la copa de l'arbre davant del ventilador. Durant l'ajust, es va comprovar que amb una copa sòlida podia reproduir els mateixos vòrtexs que en camp. El model SST k-ω va simular millor el comportament físic de l'aire que el tradicional estàndard k- i el RSM. El model va ser posteriorment validat amb el primer assaig de la tesi. Per últim, es va fer un model Eulerià-Lagrangià per a simular el moviment i deposició de les partícules durant els tractaments que incloïa tant un model dels corrents d'aire (vent i equip). En diferents instants de la simulació es va estudiar la posició i les variables lligades a les gotes (altura, velocitat etc.), es va fer una estimació del comportament dinàmic del núvol de gotes i d'altres paràmetres que s'han associat al comportament de les gotes enfront del vent durant les aplicacions fitosanitàries (temps de relaxació, ràtio d'evaporació etc.) i es va quantificar el volum final en cada substrat. Els resultats van predir que els percentatges de caldo respecte al total polvoritzat van ser: el 44% va acabar en l'arbre objectiu, el 28% en els arbres adjacents, el 20% en el sòl i un 8% es va perdre com a deriva. Finalment, el model es va comparar amb un balanç experimental de masses, amb resultats semblants en la deposició sobre la vegetació i el sòl. / Salcedo Cidoncha, R. (2015). MODELOS CFD PARA EL FLUJO DEL AIRE Y LA DISTRIBUCIÓN DE LAS GOTAS DE UN TURBOATOMIZADOR DURANTE LAS APLICACIONES EN CÍTRICOS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59444

Los sistemas de reacción-difusión permiten la formación de estructuras debido a las distintas difusividades de substancias químicas. Uno de estos sistemas es el de activador-inhibidor presentado en el modelo del Brusselador. En el caso en que este sistema se encuentre en un fluido, requerirá de términos de advección que representan el fenómeno de transporte ocasionado por la velocidad del fluido. Cuando el flujo presenta un esfuerzo de corte, las difusividades efectivas de cada substancia son modificadas, permitiendo invertir las condiciones de estabilidad que permiten la formación de patrones (Vásquez, 2004). En este trabajo se analiza la formación de patrones debido a la advección de un flujo cortante. A través de un flujo de Poiseuille, donde la velocidad tiene dependencia espacial transversal (forma parabólica), se pude violar la condición de formación de patrones de Turing (Vásquez, 2004). Para poder expandir esta investigación y analizar el efecto de un flujo generado por un vórtice, primero se analizará el movimiento caótico generado por vórtices y se caracterizarán diferentes patrones generados por distintos flujos cortantes

Reaction fronts of chemical activity propagate with velocities that depend on the angle of inclination of the container. Buoyancy forces due to changes in chemical composition across the front will affect the velocity and shape of the front. If an external Poiseuille flow is imposed, the conditions of propagation would also change depending on the strength of this flow. Fronts in vertical tubes can change from flat to nonaxisymmetric, and then to axisymmetric as the density gradient is increased. Imposing a Poiseuille flow or tilting the tube changes how this sequence takes place. In this paper, we study the combined effects of convection and forced Poiseuille flow in inclined tubes, solving numerically the reaction-diffusion equations coupled to the Navier- Stokes equations.

Estudiamos la propagaci´on de frentes qu´ımicos acoplados a efectos de convecci´on debido a gradientes t´ermicos. Los frentes de reacci´on separan fluidos de diferentes densidades debido a gradientes t´ermicos y de composici´on. Estas diferencias de densidad puede causar convecci´on. Los frentes pueden describirse mediante una aproximaci´on de frente delgado que separa producto y reactivo en el fluido. Para describir inestabilidades difusivas, el frente evoluciona seg´un la ecuaci´on de Kuramoto-Sivashinsky. Encontramos que el calor producido por la reacci´on genera convecci´on en frentes exot´ermicos que se propagan hacia arriba. Si el fluido de mayor densidad se encuentra encima el fluido de menor densidad, las fuerzas de flotaci´on pueden generar convecci´on. Encontramos que puede aparecer convecci´on si el frente se propaga hacia abajo. Este caso describe fluido de menor densidad en la parte superior. Tambi´en estudiamos la evoluci´on no lineal de la ecuaci´on de Kuramoto-Sivashinsky acoplada a hidrodin´amica. Observamos aumento de velocidad para frentes que se propagan en canales estrechos debido a la convecci´on. Analizamos el efecto de las p´erdidas de calor en la propagaci´on de frentes de reacci´on. La p´erdida de calor depende del n´umero de Biot, que representa la cantidad de flujo de calor a trav´es de las fronteras. Para frentes que se propagan verticalmente, encontramos transiciones entre frentes axisim´etricos y no axisim´etricos, adem´as de regiones de bistabilidad entre ellos. Para frentes que se propagan horizontalmente, la velocidad del frente aumenta a medida que aumentamos el ancho del canal, pero la raz´on de aumento es m´as r´apida para n´umeros de Biot bajos. / We study chemical front propagation coupled to convection driven by thermal gradients. Reaction fronts separate fluids of different densities due to thermal and compositional gradients. We analyze the presence of convection due to these density differences. Reaction fronts can be described by a thin front approximation that separates reacted from unreacted fluid. For fronts undergoing diffusive instabilities, the front evolution equation corresponds to a Kuramoto-Sivashinsky equation. A horizontal flat front propagating in the vertical direction can exhibit additional instabilities due to density gradients. We found that heat released by the reaction at the front leads to convection for exothermic fronts propagating upward. A positive thermal expansion coefficient will place a higher density fluid above a fluid of lower density, therefore buoyancy forces may lead to convection. However, we also found that convection can appear if the front propagates downward, having the lower density fluid on top. We also solved the nonlinear evolution for the Kuramoto-Sivashinsky equation coupled to hydrodynamics. This shows an increase of speed for fronts propagating in narrow channels due to convection. We also analyze the effect of heat losses on the propagation of reaction fronts. Heat losses depend on a Biot number, which represents the amount of heat flow through the boundary. For vertical propagating fronts, we find transitions between axisymmetric and nonaxisymmetric fronts, and regions of bistability between them. For horizontal propagating fronts, the speed of the front increases as we increase the layer width, but the rate of increase is faster for low Biot numbers.

El objetivo principal de este trabajo es predecir la dispersión de un flujo bifásico en el lecho de un reactor de hidrodesulfuración. Se consideran propiedades físicas constantes, sin incluir reacciones químicas ni procesos de transferencia de calor ni materia. Dos herramientas de simulación diferentes se han utilizado en este estudio. Una de ellas es el software comercial Fluent, ampliamente utilizado en el campo de la Computación en Dinámica de Fluidos, en el que se han introducido nuevos modelos de arrastre y capilaridad no incluidos en la versión comercial del software. La segunda herramienta utilizada es el código doméstico Multiphase Flow Solver, escrito en lenguaje de programación Fortran, que ha sido desarrollado durante esta tesis doctoral, constituyendo un importante objetivo de la misma. Este código incorpora los modelos necesarios para describir los procesos físicos que describen el comportamiento de este tipo de flujos multifásicos y su dispersión en medios porosos. / The main objective of this work is to predict the two-phase flow dispersion in the bed of a hydrodesulfurization reactor. Physical properties are considered to remain constant, without including chemical reactions nor heat and mass transfer processes. Two different simulation tools have been used in this study. One of them is the commercial software Fluent, widely used in the field of Computational Fluid Dynamics, in which new drag and capillarity models not included in the commercial version of the software have been implemented. The second tool used is the domestic code Multiphase Flow Solver, written in Fortran programming language, which has been developed during this doctoral thesis, being one important goal of it. This code includes the models needed to describe the physical processes which describe the behavior of this type of multiphase flows and their dispersion in porous media.

En el presente trabajo se estudia la propagación de frentes químicos sujetos a la inestabilidad de Rayleigh- Taylor. El flujo convectivo es modelado utilizando la ecuación de Navier-Stokes. Los resultados serán comparados con los obtenidos con la ley de Darcy. La inestabilidad de Rayleigh-Taylor se presenta cuando dos uidos de distintas densidades separados por una delgada interfaz plana se vuelve inestable debido al gradiente de densidades que ocurre cuando el fluido más denso esta encima del menos denso y bajo la acción de la gravedad. Se consideran fluidos con las siguientes condiciones: inmiscibles, incompresibles e irrotacionales. Para describir el frente de propagación hemos utilizado la ecuación de Kuramoto-Sivashinsky(K-S) acoplada con la ecuación de Navier-Stokes para la evolución del ujo de convección. La solución de la ecuación (K-S) ofrece una rica variedad de comportamiento espaciotemporal: frentes planos, frentes simétricos o asimétricos, frentes oscilantes y caóticos. El análisis de estabilidad lineal muestra regiones de bi-estabilidad para diferentes números de Rayleigh. / In the present work, the propagation of chemical fronts subject to Rayleigh-Taylor instability is studied. Convective ow is modeled using the Navier-Stokes equation. The results will be compared with those obtained with Darcy's law. Rayleigh-Taylor instability occurs when two fluids of different densities separated by a thin at interface becomes unstable due to the density gradient that occurs when the densest fluid is above the less dense and under the action of gravity. They are considered uid with the following conditions: immiscible, incompressible and irrotational. To describe the propagation front we used the Kuramoto-Sivashinsky equation (K-S) coupled with the Navier-Stokes equation for the evolution of the convection ow. The solution of the equation (K-S) offers a rich variety of space-time behavior: at fronts, symmetrical or asymmetric fronts, oscillating and chaotic fronts. The linear stability analysis shows regions of bi-stability for different Rayleigh numbers.