La presente tesis propone una metodología basada en la modelación de la mecánica de fluidos computacional para optimizar la hidrodinámica del flujo del electrolito en los reactores electroquímicos con validaciones experimentales.   Se presenta una investigación para que, a través de la proposición y análisis de unos parámetros indicadores, se pueda mejorar los diseños actuales de las celdas que constituyen los reactores en este estudio y proponer un óptimo realizable. En consecuencia, el objetivo de la presente tesis es analizar y revelar los estados de flujo del electrolito dentro del reactor mediante el uso de un código numérico que resuelva la mecánica del flujo del electrolito en las geometrías propuestas. Ello permite, por un lado, determinar unos parámetros cuantificables que analizan la bondad de los diseños en aras de tener visualizaciones de los flujos; y, por otro lado, disponer de aspectos cuantificables que permitan la optimización de los diseños. El diseño y los parámetros propuestos se validan experimentalmente en dos geometrías diferentes construidas para tal fin.   Este objetivo de carácter general se divide en una serie de objetivos más específicos que se detallan a continuación:  Realizar un estudio de la viabilidad económica basado en el caso de España para este tipo de baterías.  Realizar un estudio detallado acerca de las investigaciones realizadas hasta la fecha relativa a la optimización mediante técnicas CFD (por sus siglas en inglés: Computational Fluid Dynamics) del interior de un reactor electroquímico redox, ya sea mediante metodologías funcionales o mediante otro tipo de técnicas de diseño.  Evaluar la bondad de los distintos modelos desarrollados mediante las técnicas CFD frente a modelos experimentales, observando la adecuación de los modelos computacionales frente a los modelos físicos.  Proponer parámetros propios en este campo para la cuantificación de la eficiencia del reactor en base a la velocidad a la que circula el fluido en el interior de la celda Definir el ajuste más adecuado de los distintos operadores de diseño para cada una de las propuestas de optimización realizadas.  Obtener una geometría óptima en función de los parámetros de diseño para la construcción de una celda a escala real. A partir de la metodología propuesta se ha seguido un proceso de optimización en relación con la influencia del flujo del electrolito en el interior de la celda para desarrollar una geometría final optimizada. A partir de los análisis desarrollados, se ha demostrado la importancia que tiene la tecnología de almacenamiento de energía que se propone en el sistema energético español y se ha realizado un análisis económico de una batería concreta que avala su viabilidad. Se ha estimado, en este caso, un tiempo de amortización de 8 años y medio.   Asimismo, se ha realizado un modelo validado para un prototipo experimental con mediciones en laboratorio y contrastaciones numéricas que avalan el uso de la fluidodinámica computacional que se propone. A través del software comercial STAR‐CCM+ de CD‐Adapco©, se ha validado un modelo inicial a escala de laboratorio en el Departamento de Electroquímica de la Universidad de Alicante (España). Esta validación ha dado unos errores menores del 2,22 % al comparar el modelo físico con el numérico. Se han definido ciertos parámetros de funcionamiento en este primer prototipo como, por ejemplo, el porcentaje de volumen de fluido circulando en la dirección principal del flujo, siendo este del 83 %.   En la presente tesis se propone una metodología conjunta basada en la experiencia adquirida en fases previas para proponer parámetros de diseño. Dicha metodología atiende a la definición de los siguientes conceptos: coeficiente de simetría, coeficiente de uniformidad, coeficiente del rango de velocidades y volumen de fluido en la dirección principal.    El coeficiente de simetría indica la diferencia de caudal que circula por ambas partes de la celda en la dirección longitudinal; el coeficiente de uniformidad evalúa la velocidad media de cada canal; el coeficiente del rango de velocidades analiza la velocidad en un punto específico de la membrana para determinar la variabilidad del frente de velocidad; y, por último, se define el volumen de fluido en la dirección principal que cuantifica la laminaridad y dirección del fluido en el interior de la celda. Esta metodología se usa para optimizar la batería basada en modificaciones sobre disposiciones ya existentes, de manera que se llega a una geometría final en la que el número de los canales más cercanos a la membrana es de 84, con una distancia de 1 mm entre canal y canal. Esta geometría construida a escala real y ensayada en el Laboratorio Justo Nieto de Mecánica de Fluidos de la Universidad Politécnica de Valencia esta validada con mediciones experimentales de presiones y velocidades lo que permite ratificar el modelo numérico propuesto. La batería diseñada tiene prácticamente una simetría perfecta y una distribución uniforme cuando el fluido alcanza la membrana. El 100 % del fluido que transcurre por la zona de membrana circula en la misma dirección, lo que provoca que se minimicen las zonas de recirculación o zonas muertas. La metodología descrita cuantifica la bondad de un diseño claramente mejorado frente a los ya existentes, al mismo tiempo que valida la metodología propuesta para el diseño de este tipo de elementos basados en la mecánica del flujo del electrolito en el interior de la misma. La presente tesis se avala con una comunicación a congreso y cuatro artículos presentados a revistas indexadas en la base de datos "Journal Scitation Reports" que se detallan a continuación.  Escudero González, J.; Alberola, A.; López Jiménez, P.A. 2012. Computational Fluid Dynamics Applied to a Prototype Flow Battery. III International Flow Battery Forum (IFBF 2012).   Munich, June de 2012. Minutes Book. Pages 14‐16. ISBN 978‐0‐9571055‐2‐2.  Escudero Gonzalez, J.; Alberola, A.; López‐Jiménez, P. A. 2013. Redox Cell Hydrodynamics Modelling. Simulation and Experimental Validation. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. Volume 7. N 2. Pages 168‐181. June 2013. (Factor de Impacto en 2012: 1.144; Q2).  Escudero‐González, J.; López‐Jiménez, P. A. 2014. Methodology to Optimize Fluid‐Dynamic Design in a Redox Cell. 2014. Journal of Power Sources. Volume 251, 1 April 2014, Pages 243– 253. (Factor de Impacto en 2012: 4.675; Q1)  Escudero‐González, E.; López‐Jiménez, P.A. 2014. Iron redox battery as electrical energy storage system in the Spanish energetic framework. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. Volume 61, October 2014, Pages 421–428. (Factor de Impacto en 2012: 3.432; Q1)  Escudero‐González, J.; López‐Jiménez, P.A. Pendiente de publicación. Redox Cell Hydrodynamics Modelling. Towards a Real Improved Geometry based on CFD Analysis. Artículo aceptado para su publicación, en proceso de edición en la revista Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. (Factor de Impacto en 2012: 1.144; Q2). / Escudero González, J. (2014). Metodología de aplicaciones de técnicas computacionales y experimentales para la optimización de la hidrodinámica de reactores electroquímicos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/39347

[ES] El principal objetivo de esta tesis es el estudio de flujos térmicos turbulentos en canales para obtener un mayor conocimiento sobre el fenómeno de la turbulencia. Para ello, se ha realizado un estudio desde el punto de vista de la mecánica de fluidos computacional, en concreto, se ha utilizado la técnica de las simulaciones numéricas directas (DNS de sus siglas en inglés). La idea principal de las simulaciones realizadas ha sido ampliar el estado del arte actual, en lo referente a los dos parámetros principales que caracterizan el flujo: el número de Reynolds de fricción, Reτ, y el número de Prandtl, Pr. Dos configuraciones del flujo han sido utilizadas: flujo de Poiseuille y flujo de Couette, siendo la primera el principal foco del estudio. En cuanto al campo de temperaturas, se ha utilizado una condición de contorno mixta y se ha considerado como un escalar pasivo. Así pues, los números de Reynolds de fricción simulados para un flujo de Poisuille han sido Reτ = 500, 1000 y 2000, para números de Prandtl que varían desde 0.007 (metales fundidos) hasta 10 (agua), pasando por 0.71 que es el valor más utilizado por ser éste el número de Prandtl del aire. Además, se ha realizado una simulación con Reτ = 5000 y Pr = 0.71, la cual es la DNS térmica con el número de Reynolds de fricción más alto hasta la fecha. Destacar que para los números de Prandtl más altos, se ha observado que el valor máximo de la varianza de la temperatura es constante. Esto tiene un importante beneficio en el escalado cerca de la pared de los términos de disipación y difusión viscosa del balance de energía de θ′'+. Por último en lo referente a simulaciones de flujos de Poiseuille, se ha estudiado el caso isotérmico con Reτ = 10000, la cual es la mayor DNS de un canal turbulento, obteniendo por primera vez en una DNS una capa logarítmica perfectamente desarrollada en el campo de velocidades. Un estudio teórico, basado en las simetrías de Lie, ha sido llevado a cabo en paralelo a las simulaciones. El principal objetivo ha sido la generación de leyes de escaldo, basadas en primeros principios, del campo de velocidades, temperatura y momentos de altos órdenes de ambos campos. El resultado es que para números de Reynolds y Péclet suficientemente altos, dichos campos escalan como leyes de defecto de funciones de potencia de la distancia de la pared en el centro del canal. De la misma forma, se ha obtenido un escalado de la velocidad en la capa logarítmica para el caso de Reτ = 10000, obteniendo la clásica función logarítmica para la velocidad media y una función potencial para los momentos de órdenes superiores. Las leyes de escalado han sido validadas con los datos obtenidos en las DNS, obteniendo una precisión excelente. Por último, se han realizado una simulaciones de flujo de Couette con el número de Prandtl de aire, Pr = 0.71, y números de Reynolds de fricción de valores Reτ = 180, 250 y 500. El principal objetivo era el estudio de las estructuras coherentes que se forman en estos flujos de Couette. En concreto, se ha visto que las intensidades turbulentas dependen del número y tamaño de las estructuras. Es por ello que se necesita como mínimo una anchura del dominio computacional de 6πh para que las estadísticas sean independientes. Una última serie de simulaciones ha sido llevada a cabo considerando flujo estratificado. El objetivo era estudiar si las estructuras de Couette persisten en este tipo de flujos. Para un Reτ = 500 y el número de Prandtl de aire, Pr = 0.71, se han tomado valores del número de Richardson de fricción, Riτ = 0.5, 1.65 y 2.90. Para los dos casos con el número de Richardson de fricción más alto, las estructuras del flujo de Couette se debilitan hasta el punto de ser casi inexistentes. Las principales estadísticas de las simulaciones se encuentran disponibles en la base de datos del grupo de investigación, la cual está abierta a la comunidad científica y se puede acceder desde el siguiente enlace http://personales.upv.es/serhocal/ / [CA] El principal objectiu d'aquesta tesis és l'estudi de fluids tèrmics turbulents en canals per obtenir un major coneixement sobre el fenomen de la turbulència. Per a això, s'ha realitzat un estudi des de el punt de vista de la mecànica de fluids computacional, més concretament, s'ha utilitzat la tècnica de les simulacions numèriques directes (DNS de les seues sigles en anglès). La idea principal de les simulacions realitzades ha sigut ampliar l'estat de l'art actual, en lo referent al dos paràmetres principals que caracteritzen un flux: el número de Reynolds de fricció, Reτ , i el número de Prandtl, Pr. Dos configuracions del fluid han sigut utilitzades: flux de Poiseuille i flux de Couette, sent la primera el principal focus de l'estudi. En quant al camp de temperatures, s'ha utilitzat una condició de contorn mixta i s'ha considerat com a un escalar passiu. Així doncs, els primers números de Reynolds de fricció simulats per a un flux de Poisuille han sigut Reτ = 500, 1000 i 2000, per a números de Prandtl que varien des de 0.007 (metalls fosos) fins 10 (aigua), passant per 0.71 que és el valor més utilitzat per se aquest el número de Prandtl de l'aire. A més, s'ha realitzat una simulació con Reτ = 5000 i Pr = 0.71, la qual és la DNS tèrmica con el número de Reynolds de fricció més alt fins avui. Destacar que per a números de Prandtl més alts, s'ha observat que el valor màxim de la variància de la temperatura és constant. Això té un important benefici en l'escalat cerca de la paret dels terminis de dissipació i difusió viscosa del balanç d'energia de θ′'+. Per últim, en lo referent a simulacions de fluxos de Poiseuille, s'ha estudiat el cas isotèrmic amb Reτ = 10000, el qual és el major DNS de un canal turbulent, obtenint per primera vegada en una DNS una capa logarítmica perfectament desenvolupada en el camp de les velocitats. Un estudi teòric , basat en les simetries de Lie, ha sigut portat a terme en paral·lel a les simulacions. El principal objectiu ha sigut la generació de lleis d'escalat, basades en primers principis, del camp de velocitats, temperatura i els moments d'altos ordres de ambdós camps. El resultat és que per a números de Reynolds i Péclet suficientment alts, aquests camps escalen com lleis de defecte de funcions de potència de la distància de la paret en el centre del canal. De la mateixa manera, s'ha obtingut un escalat de la velocitat en la capa logarítmica per al caso de Reτ = 10000, obtenint la clàssica funció logarítmica per a la velocitat mitjana i una funció potencial per als moments d'ordres superiors. Les lleis d'escalat han sigut validades amb les dades obtingudes en les DNS, obtenint una precisió excel·lent. Per últim, s'ha realitzat una simulació de fluxos de Couette amb el número de Prandtl d l'aire, Pr = 0.71, i números de Reynolds de fricció de valors Reτ = 180, 250 i 500. El principal objectiu era l'estudi de les estructures coherents que es formen en aquests fluxos de Couette. Concretament, s'ha vist que les intensitats turbulentes depenen del número i mesura de les estructures. Es per això que es necessita com a mínim una amplada del domini computacional de 6π h per a que les estadístiques siguin independents. Una última sèrie de simulacions ha sigut feta considerant el flux estratificat. L'objectiu era estudiar si les estructures de Couette persisteixen en aquest tipus de fluxos. Per a un Reτ = 500 i el número de Prandtl d'aire, Pr = 0.71, s'han agafat valors del número de Richardson de fricció, Riτ = 0.5, 1.65 i 2.90. Per als dos casos amb el número de Richardson de fricció més alt, les estructures de flux de Couette es debiliten fins al punt de ser casi inexistents. Les principals estadístiques de les simulacions es troben disponibles en les bases de dades del grup d'investigació, el qual està obert a la comunitat científica i es pot accedir des de el següent enllaç http://personales.upv.es/serhocal/ / [EN] The main objective of this thesis is the study of thermal turbulent channel flows to obtain a greater knowledge about the phenomenon of turbulence. For this, a study has been carried out from the point of view of computational fluid mechanics, specifically, the technique of direct numerical simulations (DNS) has been used. The main idea of the simulations conducted has been to expand the current state of the art, in relation to the two main parameters that characterize the flow: the friction Reynolds number, Reτ, and the Prandtl number, Pr. Two flow configurations have been used: Poiseuille flow and Couette flow, the former being the main focus of the study. Regarding the temperature field, a mixed boundary condition has been used and it has been considered as a passive scalar. Thus, the simulated friction Reynolds numbers for a Poisuille flow have been Reτ = 500, 1000 and 2000, for Prandtl numbers that vary from 0.007 (molten metals) to 10 (water), passing through 0.71 which is the value more used because this is the Prandtl number of the air. In addition, a simulation has been carried out with Reτ = 5000 and Pr = 0.71, which is the thermal DNS with the highest friction Reynolds number to date. It should be noted that for the highest Prandtl numbers, it has been observed that the maximum value of the variance of the temperature is constant. This has an important benefit in scaling near the wall of the dissipation and viscous diffusion budget terms of the τ'+. Finally, with regard to Poiseuille flow simulations, the isothermal case has been studied with Reτ = 10000, which is the highest DNS of a turbulent channel flow, obtaining for the first time in a DNS a perfectly developed logarithmic layer in the velocity field. A theoretical study, based on Lie symmetries, has been carried out in parallel to the simulations. The main objective has been the generation of scald laws, based on first principles, of the field of velocity, temperature and high order moments of both fields. The result is that for sufficiently high Reynolds and Péclet numbers, these fields scale as defect laws of power functions of the distance to the wall in the center of the channel. In the same way, a scaling of the speed in the logarithmic layer has been obtained for the case of Reτ = 10000, obtaining the classic logarithmic function for the average velocity and a potential function for the moments of higher orders. The scaling laws have been validated with the data obtained in the DNS, obtaining excellent precision. Finally, a set of Couette flow simulations have been carried out with the Prandtl number of air, Pr = 0.71, and Reynolds friction numbers of Reτ = 180, 250 and 500. The main objective was the study of coherent structures that are formed in these Couette flows. Specifically, it has been seen that turbulent intensities depend on the number and size of the structures. For this reason, a minimum width of the computational domain of 6πh is required for the statistics to be independent. A last series of simulations has been carried out considering stratified flow. The objective was to study whether Couette structures persist in this type of flow. Thus, for a Reτ = 500 and the Prandtl number of air, Pr = 0.71, the values of the friction Richardson number have been varied according to, Riτ = 0.5, 1.65 and 2.90, for each simulation. For the two cases with the highest friction Richardson number, the Couette flow structures weaken to the point of being almost non-existent. The main statistics of the simulations are available in the research group's database, which is open to the scientific community and can be accessed from the following link http://personales.upv.es/serhocal/ / Esta tesis ha recibido la ayuda de MINECO/FEDER proyecto ENE2015-71333-R. / Alcántara Ávila, F. (2021). Study of the Thermal Field of Turbulent Channel Flows Via Direct Numerical Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180122

[ES] Los sistemas de refrigeración por eyección activados por calor de origen renovable o fuentes de calor residual tienen el potencial de alcanzar ahorros energéticos significativos al sustituir o asistir a los sistemas de refrigeración tradicionales. Su campo de aplicabilidad es muy amplio y el presente trabajo se ha centrado en un estudio detallado de dos aplicaciones con gran potencial siguiendo un enfoque computacional: (i) generación de aire acondicionado activado por energía solar térmica y (ii) refrigeración de la admisión de un motor de combustión reutilizando la energía térmica disponible en la línea de escape de este. Las actividades de investigación han estado dirigidas a mitigar dos de los principales puntos débiles que caracterizan a los ciclos de refrigeración por eyección: su eficiencia relativamente baja y la incapacidad mostrada por la configuración base del ciclo de eyección para operar de forma robusta en condiciones de operación alejadas de las de diseño. La primera cuestión ha sido abordada principalmente diseñando geometrías de eyector altamente optimizadas usando técnicas de mecánica de fluidos computacional y optimizando la integración del eyector en el conjunto del sistema de refrigeración. La segunda cuestión se ha abordado caracterizando el comportamiento del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño. Se han propuesto dos estrategias avanzadas para hacer frente a la caída de prestaciones que sufre el sistema al operar en condiciones fuera de diseño, como son la utilización de eyectores de geometría ajustable o la implementación de tanques de almacenamiento térmico. La respuesta del sistema se ha analizado en condiciones fuera de diseño con dos aproximaciones temporales complementarias. Los modelos estacionarios se han usado para optimizar las diferentes arquitecturas de eyector y la operación global del sistema en ciertas condiciones de operación representativas, mientras que el análisis transitorio representa un enfoque más realista y tiene en cuenta la naturaleza impredecible e inestable de la climatología. El estudio se ha concluido con un análisis termoeconómico, el cual ha sido útil para discernir si los diseños altamente optimizados son competitivos al ser comparados con las soluciones de refrigeración que se encuentran actualmente consolidadas en el mercado. La principal conclusión del análisis en condiciones estáticas para la aplicación termosolar es que la transformación de potencia térmica a potencia de refrigeración puede alcanzar un rendimiento del 37.7%, mientras que el rendimiento global del sistema alcanza el 20.1% con diseños altamente optimizados de eyector para unas condiciones de evaporación y condensación de 13°C y 40°C, respectivamente. En condiciones dinámicas, la implementación de la geometría variable mejora en torno a un 40% el rendimiento del sistema de refrigeración, además de incrementar su operatividad. El tanque de almacenamiento térmico juega un papel relevante en este aspecto y, para una envergadura de colector parabólico de 7.1 m, un consumo nominal de 13.3 kW de potencia térmica del tanque ha resultado ser una solución de compromiso para mantener en equilibrio los principales indicadores de prestaciones. El análisis termoeconómico de la arquitectura más prometedora sugiere que el ahorro de coste operativo está lejos de poder compensar la elevada inversión inicial en equipamiento (16.905€ para una capacidad de refrigeración aproximada de 5.6 kW), destacando la dificultad del sistema para competir con las soluciones de refrigeración actualmente consolidadas en el mercado y resaltando la necesidad de considerar soluciones híbridas. La principal conclusión de la aplicación en motor de combustión es que la reducción de temperaturas en la línea de admisión por debajo de 4°C es factible, produciendo mejoras en el rendimiento volumétrico de en torno al 11%, no obstante, el sistema muestra vulnerabilidades al operar en puntos de motor diferentes al de diseño. / [CA] Els sistemes de refrigeració per ejecció activats per calor d'origen renovable o fonts de calor residual tenen el potencial d'assolir estalvis energètics significatius al substituir o assistir als sistemes de refrigeració tradicionals. El seu camp d'aplicabilitat es ampli i el present treball s'ha centrat en un estudi detallat de dos aplicacions amb gran potencial seguint un enfocament computacional: (i) generació d'aire condicionat activat per energia solar tèrmica i (ii) refrigeració de l'admissió d'un motor de combustió reutilitzant l'energia tèrmica disponible en la línia d'escapament d'aquest. Les activitats d'investigació han estat dirigides a mitigar dos dels principals punts dèbils que caracteritzen als cicles de refrigeració per ejecció: la seua eficiència relativament baixa i la incapacitat mostrada per la configuració base del cicle d'ejecció per a operar de forma robusta en condicions d'operació allunyades de les de disseny. La primera qüestió ha sigut abordada principalment dissenyant geometries d'ejector altament optimitzades usant tècniques de mecànica de fluids computacional i optimitzant la integració de l'ejector en el conjunt del sistema de refrigeració. La segona qüestió s'ha abordat caracteritzant el comportament del sistema en condicions de disseny i fora de disseny. S'han proposat dos estratègies avançades per a fer front a la caiguda de prestacions que pateix el sistema quan opera en condicions fora de disseny, com són la utilització d'ejectors de geometria ajustable o la implementació de tancs de emmagatzemament tèrmic. La resposta del sistema s'ha analitzat en condicions fora de disseny amb dos aproximacions temporals complementàries. Els models estacionaris s'han usat per a optimitzar les diferents arquitectures d'ejector i l'operació global del sistema en certes condicions d'operació representatives, mentre que l'anàlisi transitori representa un enfocament més realista i té en compte la natura impredictible i inestable dels canvis en les condiciones climàtiques. L'estudi s'ha conclòs amb un anàlisi termoeconòmic, el qual ha sigut útil per a discernir si els dissenys altament optimitzats són competitius quan es comparen amb les solucions de refrigeració que es troben actualment consolidades al mercat. La principal conclusió de l'anàlisi en condicions estàtiques per a l'aplicació termosolar és que la transformació de potència tèrmica a potència de refrigeració pot arribar a un rendiment del 37.7%, mentre que el rendiment global del sistema arriba al 20.1 % amb dissenys altament optimitzats d'ejector per a unes condicions d'evaporació i condensació de 13°C i 40°C, respectivament. En condicions dinàmiques, la implementació de la geometria variable millora al voltant d'un 40% el rendiment del sistema de refrigeració, a més d'incrementar la seua capacitat de romandre en funcionament. El tanc d'emmagatzemament tèrmic juga un paper rellevant en aquest aspecte i, per a una llargària de col·lector parabòlic de 7.1 m, un consum nominal de 13.3 kW de potencia tèrmica del tanc ha resultat ser una solució de compromís per a mantenir en equilibri els principals indicadors de prestacions. L'anàlisi termoeconòmic de l'arquitectura més prometedora suggereix que l'estalvi de cost operatiu està lluny de poder compensar l'elevada inversió inicial en equipament (16.905€ per a una capacitat de refrigeració aproximada de 5.6 kW), posant de manifest la dificultat del sistema per a competir amb les solucions de refrigeració actualment consolidades al mercat i ressaltant la necessitat de considerar solucions híbrides. La principal conclusió de l'aplicació en motor de combustió és que la reducció de temperatures a la línia d'admissió per baix de 4°C és factible, produint millores en el rendiment volumètric de al voltant de l'11%, no obstant això, el sistema mostra vulnerabilitats a l'hora d'operar en punts de motor diferents al de disseny. / [EN] Jet-ejector refrigeration systems powered by renewable heat or waste heat sources have the potential to achieve significant primary energy savings when substituting or aiding traditional refrigeration systems. Their field of applicability is vast and the present work has been focused on a detailed study of two applications with great potential following a computational approach: (i) air-conditioning generation powered by solar thermal energy and (ii) internal combustion engine intake air refrigeration powered by its exhaust line waste heat. The research efforts have been directed towards mitigating the negative effect of two of the main weak points of jet-ejector refrigeration systems: their relatively low efficiency and the incapacity of the baseline configuration to operate robustly away from the design conditions. The first issue has been addressed mainly by designing highly optimized jet-ejector geometries using computational fluid dynamics techniques and optimizing the jet-ejector integration in the overall system. The second one has been addressed by carrying out complete characterizations of the refrigeration system response in design and off-design conditions. Advanced strategies to face the refrigeration system performance decay away from design conditions have been proposed, like the utilization of adjustable jet-ejector architectures or the implementation of hot thermal storage tanks. The system response has been analyzed in off-design conditions with two complementary temporal schemes. The steady-state models have been used to optimize the jet-ejector architectures and the overall system operation for representative operating scenarios, while the transient analysis represents a more realistic approach and accounts for changes in climatic conditions, which have an unpredictable and unstable nature. The study has been concluded with a thermoeconomic analysis, which has been useful to discern if the highly optimized designs are competitive when compared to existing refrigeration solutions consolidated in the market. The main conclusions of the steady-state analysis for the solar application are that the transformation from thermal power to refrigeration power can achieve an efficiency of 37.7%, while the global efficiency achieves 20.1% when highly optimized jet-ejectors are used for an evaporating and condensing conditions of 13°C and 40°C, respectively. In dynamic conditions, the implantation of an adjustable jet-ejector brings improvements in refrigeration system efficiency of around 40%, besides improving its capacity to remain in operation. The thermal storage system plays a relevant role in this sense and, for a fixed parabolic trough collector span of 7.1 m, a nominal thermal power consumption of 13.3 kW represents a trade-off between the performance indicators subject to analysis. The thermoeconomic assessment of the most promising system architecture suggests that the operating cost savings are far from compensating for the capital expenditures (16,905€ for a refrigeration capacity of approximately 5.6 kW), evidencing the difficulties of the system to compete against refrigeration solutions currently consolidated in the market and outlining the interest in hybrid solutions. The main conclusion of the automotive application is that it is feasible to achieve in the engine intake line temperatures below 4°C, bringing improvements in volumetric engine efficiency of around 11%. Nevertheless, the system shows vulnerabilities when operating in engine operating points different from the design one. / My most sincere acknowledgment to the whole CMT-Motores Térmicos team for giving me the opportunity of being part of it and the grant program Subvenciones para la contrataci ́on de personal investigador predoctoral for doctoral studies (reference ACIF/2018/124), awarded by Generalitat Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital and the European Union for funding this project. / Ponce Mora, A. (2022). Feasibility Study of Jet-Ejector Refrigeration Systems as a Mechanism for Harnessing Low-Grade Thermal Energy from Different Sources [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181710

[ES] Desde la irrupción de los vehículos eléctricos en el mercado automotriz como una opción de transporte limpia y asequible, los fabricantes de motores han estado buscando nuevas formas de reducir la huella ambiental de los actuales motores de combustión interna alternativos (MCIA). Hoy en día, la mayoría de las investigaciones en aplicaciones de vehículos de pasajeros se centran en desarrollar aún más los motores de encendido provocado (MEP) para promover una nueva generación de sistemas de propulsión sostenibles y de alto rendimiento. En este contexto, el concepto de encendido de precámara se está convirtiendo en una solución atractiva para aumentar la eficiencia térmica de los futuros MEP para vehículos de pasajeros, debido a su capacidad de acelerar el proceso de combustión. Además, la combinación de esta estrategia de encendido con mezclas diluidas (ya sea con aire o gases de escape) tiene el potencial de mejorar aún más el rendimiento del motor. En particular, en comparación con los sistemas de precámara activa con suministro de combustible auxiliar, la versión pasiva ofrece ventajas evidentes en términos de simplicidad mecánica, ensamblaje y coste. Sin embargo, todavía existen importantes obstáculos relacionados con la comprensión de los aspectos fisicoquímicos fundamentales del concepto (turbulencia, aerodinámica, conversión de energía, dinámica de los chorros, geometría de precámara...), que en última instancia han limitado la integración de esta tecnología en producción. Por lo tanto, esta tesis doctoral pretende extender el nivel de conocimiento de este concepto de encendido mediante el uso de un modelo CFD de última generación, validado con un extenso conjunto de medidas experimentales y siguiendo una metodología especialmente desarrollada para este trabajo de investigación. Los resultados obtenidos se dividieron en tres partes: La primera parte evaluó un MEP monocilíndrico de investigación, representativo de vehículos automóviles, que integraba el concepto de precámara pasiva en condiciones estequiométricas sin dilución. Aquí se evaluó el impacto del punto de operación del motor, el avance del encendido y la geometría de la precámara sobre los procesos físicos y termoquímicos que intervienen en este concepto de combustión. La segunda parte del estudio se centró en caracterizar el concepto en condiciones diluidas con aire y recirculación de gases de escape (EGR). Se analizó en profundidad la evolución del proceso de combustión y la distribución de energía en la precámara y cámara principal para los límites de dilución experimentales. Además, también se evaluó el uso de hidrógeno para ampliar el límite de dilución con aire. La última etapa de la investigación consistió en evaluar una posible aplicación tecnológica de este concepto de encendido a partir de los conocimientos adquiridos. Por ello, se desarrolló una metodología de diseño de precámara que combina herramientas numéricas 0D/1D y CFD. Posteriormente, la metodología fue validada en el banco de ensayos del motor, y la precámara resultante ofreció buenos niveles de rendimiento térmico y fue capaz de extender el límite de dilución con EGR. Con ello, la presente tesis doctoral supone un avance significativo en el campo del análisis del impacto de la integración de sistemas avanzados en MCIA en general, y en MEP en particular, con el objetivo de mejorar sus prestaciones, emisiones o rendimiento, contribuyendo al esfuerzo que está realizando la comunidad científica para mitigar el impacto ambiental del sector del transporte. / [CAT] Des de la irrupció dels vehicles elèctrics en el mercat automotriu com una opció de transport neta i assequible, els fabricants de motors han estat buscant noves maneres de reduir la petjada ambiental dels actuals motors de combustió interna alternatius (MCIA). Hui dia, la majoria de les investigacions en aplicacions de vehicles de passatgers se centren a desenvolupar encara més els motors d'encesa provocada (MEP) per a promoure una nova generació de sistemes de propulsió sostenibles i d'alt rendiment. En aquest context, el concepte d'encesa de precàmera s'està convertint en una solució atractiva per a augmentar l'eficiència tèrmica dels futurs MEP per a vehicles de passatgers, a causa de la seua capacitat d'accelerar el procés de combustió. A més, la combinació d'aquesta estratègia d'encesa amb mescles diluïdes (siga amb aire o productes de la combustió) té el potencial de millorar encara més el rendiment del motor. En particular, en comparació amb els sistemes de precàmera activa amb subministrament de combustible auxiliar, la versió passiva ofereix avantatges evidents en termes de simplicitat mecànica, assemblatge i cost. No obstant això, encara existeixen importants obstacles relacionats amb la comprensió dels aspectes fisicoquímics fonamentals del concepte (turbulència, aerodinàmica, conversió d'energia, dinàmica d'ejecció, geometria de precàmera...), que en última instància han limitat la integració d'aquesta tecnologia a la producció en sèrie. Per tant, aquesta tesi doctoral pretén estendre el nivell de coneixement d'aquest concepte d'encesa mitjançant l'ús d'un model CFD d'última generació, validat amb un extens conjunt de mesures experimentals i seguint una metodologia especialment desenvolupada per a aquest treball de recerca. Els resultats obtinguts es divideixen en tres parts. La primera part estudia un MEP monocilíndric d'investigació, representatiu dels vehicles actuals d'automoció, que integra el concepte de precàmera passiva en condicions estequiomètriques sense dilució. Ací s'avalua l'impacte del punt d'operació del motor, l'avanç de l'encesa i la geometria de la precàmera sobre els processos físics i termoquímics que intervenen en aquest concepte de combustió. La segona part de l'estudi se centra a caracteritzar el concepte en condicions diluïdes amb aire i recirculació de gasos produïts per la combustió (EGR). S'analitza en profunditat l'evolució del procés de combustió i la distribució d'energia en la precàmera i en cambra principal per als límits de dilució experimentals. A més, també s'avalua l'ús d'hidrogen per a ampliar el límit de dilució amb aire. L'última etapa de la investigació consisteix a avaluar una possible aplicació tecnològica d'aquest concepte d'encesa a partir dels coneixements adquirits. Per això, es desenvolupa una metodologia de disseny de precàmera que combina eines numèriques 0D/1D i CFD. Posteriorment, la metodologia és validada al banc d'assajos del motor, on la precàmera resultant ofereix bons nivells de rendiment tèrmic i és capaç d'estendre el límit de dilució amb EGR. Amb això, la present tesi doctoral suposa un avanç significatiu en el camp de l'anàlisi de l'impacte de la integració de sistemes avançats en MCIA en general, i en MEP en particular, amb l'objectiu de millorar les seues prestacions, emissions o rendiment, contribuint a l'esforç que està realitzant la comunitat científica per a mitigar l'impacte ambiental del sector del transport. / [EN] Since the irruption of electric vehicles in the automotive market as a clean and affordable transportation option, engine manufacturers have been looking for new ways to reduce the environmental footprint of current internal combustion engines (ICE's). Nowadays, most of the research efforts in passenger car applications focus on further developing spark-ignition (SI) engines to promote a new generation of high-performance and sustainable powertrains. In this context, the pre-chamber ignition concept is becoming an attractive solution to increase the thermal efficiency of future light-duty SI engines, due to its inherent capability of enhancing the combustion process. Moreover, combining this ignition strategy with diluted mixtures (either with air or exhaust gases) has the potential to further improve the engine performance and reduce pollutant emissions. In particular, compared to active pre-chamber systems with an auxiliary fuel supply, the passive version provides advantages in terms of mechanical simplicity, packaging and cost-effectiveness. However, there are still major hurdles related to the understanding of the fundamental physicochemical aspects of the concept (turbulence, scavenging, energy conversion, jet dynamics, pre-chamber geometry...), that ultimately have limited the integration of this technology into production vehicles. Therefore, this doctoral thesis intends to fill these knowledge gaps by using a state-of-the-art CFD model, validated with an extensive set of engine tests and following a simulation methodology specially developed for this research work. The obtained results were divided into three parts: The first part evaluated a research single-cylinder SI engine, representative of light-duty applications, operating with the passive pre-chamber system in un-diluted stoichiome\-tric conditions. Here, the impact of the engine operating point, spark timing and pre-chamber geometry over the physical and thermochemical processes that are involved in this combustion concept were evaluated. The second part of the study focused on characterizing the concept in diluted conditions with air and exhaust gas re-circulation (EGR). The combustion evolution and energy distribution in the pre-chamber and main chamber for the experimental dilution limits were deeply analyzed. In addition, the use of hydrogen to extend the air-dilution limit was also assessed. The final part of the investigation consisted in developing a potential technological application of this ignition concept from the acquired knowledge. Therefore, a pre-chamber design methodology combining 0D/1D and CFD numerical tools was developed and validated in the engine test bench. The resulting pre-chamber offered good levels of thermal efficiency and was able to extend the EGR dilution limit. This doctoral thesis represents a significant advancement in the frame of analyzing the impact of advanced ignition systems and their integration in ICE's in general, and in SI engines in particular, with the aim of improving the global features of these powerplants (efficiency and emissions), contributing to the effort that the scientific community is carrying out to mitigate the environmental impact of the transportation sector. / Barbery Avila, II. (2023). CFD Modelling and Analysis of the Passive Pre-Chamber Ignition Concept for Future Generation Spark-Ignition Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193035

[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