Die vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert. Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke Lorentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik.

L'utilisation des meubles frigorifiques de vente fermés a augmenté régulièrement dans les supermarchés en raison des économies d'énergie réalisées par rapport aux meubles ouverts. D’où la nécessité d'élargir les connaissances scientifiques à ce type de meuble. Pour l’instant la plupart des études de la littérature ont porté sur l'amélioration de l'efficacité énergétique après l'installation de portes, tandis que les études sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés sont rares. De plus, il convient d’étudier également les circulations d’air car ils influencent les échanges de chaleur entre l’air et les produits, donc leur température. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes d’écoulement d’air et de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés par la mise en œuvre d'approches expérimentales et numériques.Des investigations expérimentales ont été menées sur un meuble frigorifique fermé placé dans une cellule d’essai à température contrôlée. Quatre-vingts thermocouples calibrés répartis dans le meuble ont permis d’observer les évolutions spatio-temporelles des températures de l’air et du produit dans différentes conditions de fonctionnement. Nous avons fait varier la température de l'air ambiant (15, 19, 24 et 29 ° C), le volume occupé par le produit (meuble vide ou plus ou moins chargé de blocs de méthylcellulose) et la fréquence d'ouverture des portes (0 : fermé en permanence, 10, 20, 40, 60 Ouvertures Par Heure - OPH). Des expériences ont également été réalisées dans une configuration ouverte du meuble frigorifique (portes complètement retirées) afin de déterminer les avantages des portes sur les performances thermiques.Les résultats ont montré que lorsque les portes étaient fermées en permanence, les champs de température étaient similaires quels que soient la température ambiante et le pourcentage de volume occupé : la température la plus élevée se situe à l’avant de l'étagère supérieure alors que la température la plus basse est observée à l’arrière de l'étagère inférieure. Cette répartition change lorsque les portes sont périodiquement ou définitivement ouvertes : la position où la température est la plus élevée migre vers l’avant de l'étagère du milieu. Même pour une fréquence très élevée d’ouverture des portes (60 OPH), les températures de l’air et des produits dans le meuble fermé sont restées plus basses d’au moins 1,0 ° C par rapport au meuble sans portes.Des mesures de vitesse d'air par anémométrie à fil chaud au niveau du rideau d’air ont permis d'observer son allure générale tandis que les mesures effectuées dans le conduit arrière ont permis de quantifier la répartition du flux d'air à travers le plaque arrière perforée. L’utilisation d’une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV) a permis de caractériser le rideau d’air avec une résolution et une précision spatiale supérieures. Les résultats ont notamment montré l’existence d’une zone de recirculation de l'air dans la partie supérieure du meuble où l’on observe également une infiltration d'air ambiant chaud par les fentes présentes autour des portes. Ceci induit une augmentation de la température du rideau d'air. Des simulations numériques bidimensionnelles d’écoulement (CFD) avec le modèle de turbulence k-ε ont permis de reproduire les principaux phénomènes d'écoulement observés par PIV et de voir leur influence sur la distribution de température dans le meuble.Enfin, un modèle simplifié des transferts de chaleur a été développé par une approche zonale en régime permanent et en régime transitoire ce qui permet respectivement de prévoir les températures moyennes de l’air et du produit et les fluctuations de température en fonction des cycles marche / arrêt du compresseur. Le modèle transitoire a été résolu avec une approche spectrale. L'influence de différents paramètres sur les niveaux de température et l'amortissement des fluctuations peut ainsi être identifiée. / The use of closed refrigerated display cabinets in supermarkets has been increased steadily because of the potential energy savings compared to open ones. This growing trend has contributed to the necessity to expand research in the field of retail refrigeration. Most studies in literature, however, focused on the improvements of energy efficiency after door installation while studies on the mechanism of heat transfer and airflow within closed display cabinets are still limited. In fact, the airflow pattern influences the heat exchange between air and products, thus, product temperature. This PhD thesis aims to gain an insight into the mechanism of airflow and heat transfer in closed refrigerated display cabinets by the implementation of experimental and numerical approaches.Experimental investigations were conducted in a closed refrigerated display cabinet (an integral type with a single band air curtain and two double-glazing doors) located in a controlled-temperature test room. Air/product temperatures and air velocity are the main parameters taken into investigations. Eighty calibrated thermocouples distributed throughout the cabinet made it possible to observe the spatial and temporal evolutions of the air and product temperatures under different operating conditions. These conditions were ambient air temperature (15, 19, 24 and 29 °C), product-occupied volume (unloaded, half-loaded and full-loaded with test packages made of methylcellulose), door-opening frequency (0 - permanently closed, 10, 20, 40, 60 Openings Per Hour - OPH) and opening duration (15s and 30s). An automatic door opening system was developed and allowed to apply the opening regime as prescribed in the standard test (EN ISO 23953-2, 2015). The experiment was also conducted in an open configuration of the cabinet (doors were completely removed) to determine the benefits of the doors on the temperature performance. The results showed that when the doors were permanently closed, the temperature distribution in the cabinet was similar whatever the ambient temperatures and occupied-volume percentages – the highest temperature position at the front-top shelf and the lowest temperature position at the rear-bottom shelf. The temperature distribution changed when the doors were periodically or permanently open – the front of the middle shelf became the highest temperature position while the lowest temperature position remained at the rear-bottom shelf. However, the air and product temperatures in the cabinet with doors remained lower despite a very high door-opening frequency (i.e. 60 OPH, product temperatures at least 1.0 °C lower), compared to the case without doors.Air velocity measurement using a hot-wire anemometer at the front of the cabinet from the discharge to the return air grilles allowed to observe the shape of the air curtain, while the measurement in the rear duct allowed to quantify the air flow distribution over the perforated back panel of different shelves. The use of a Particle Image Velocimetry (PIV) technique allowed the characterization of the air curtain with higher spatial resolution and accuracy. The result showed a zone of air recirculation at the upper part of the cabinet where warm ambient air infiltration through the door gaps was also observed, leading to an increase in the air curtain temperature. A 2D-CFD k-ε turbulence model was developed to reproduce the main flow phenomena observed by PIV so that its influence on the internal temperature distribution can be examined.Finally, a simplified heat transfer model was developed based on a zonal approach in both static and dynamic regimes which permits, respectively, the predictions of time-averaged air and product temperatures and temperature fluctuations according to the on/off cycle of the compressor regulation. The dynamic model was solved with a spectral approach, thus the influence of different parameters on the damping of the temperature fluctuations can be identified.

The present research project is carried out at the von Karman Institute for Fluid Dynamics (Rhode-Saint-Genèse, Belgium) with the financial support of the European Space Agency.<p><p>The first stage of spacecrafts (e.g. Ariane 5, Vega, Shuttle) generally consists of large solid propellant rocket motors (SRM), which often consist of segmented structure and incorporate a submerged nozzle. During the combustion, the regression of the solid propellant surrounding the nozzle integration part leads to the formation of a cavity around the nozzle lip. The propellant combustion generates liquefied alumina droplets coming from chemical reaction of the aluminum composing the propellant grain. The alumina droplets being carried away by the hot burnt gases are flowing towards the nozzle. Meanwhile the droplets may interact with the internal flow. As a consequence, some of the droplets are entrapped in the cavity forming an alumina puddle (slag) instead of being exhausted through the throat. This slag reduces the performances.<p><p>The aim of the present study is to characterize the slag accumulation process in a simplified model of the MPS P230 motor using primarily optical experimental techniques. Therefore, a 2D-like cold-gas model is designed, which represents the main geometrical features of the real motor (presence of an inhibitor, nozzle and cavity) and allows to approximate non-dimensional parameters of the internal two-phase flow (e.g. Stokes number, volume fraction). The model is attached to a wind-tunnel that provides quasi-axial flow (air) injection. A water spray device in the stagnation chamber realizes the models of the alumina droplets, which are accumulating in the aft-end cavity of the motor.<p><p>To be able to carry out experimental investigation, at first the the VKI Level Detection and Recording(LeDaR) and Particle Image Velocimetry (PIV) measurement techniques had to be adapted to the two-phase flow condition of the facility.<p><p>A parametric liquid accumulation assessment is performed experimentally using the LeDaR technique to identify the influence of various parameters on the liquid deposition rate. The obstacle tip to nozzle tip distance (OT2NT) is identified to be the most relevant, which indicates how much a droplet passing just at the inhibitor tip should deviate transversally to leave through the nozzle and not to be entrapped in the cavity.<p><p>As LeDaR gives no indication of the driving mechanisms, the flow field is analysed experimentally, which is supported by numerical simulations to understand the main driving forces of the accumulation process. A single-phase PIV measurement campaign provides detailed information about the statistical and instantaneous flow structures. The flow quantities are successfully compared to an equivalent 3D unsteady LES numerical model.<p><p>Two-phase flow CFD simulations suggest the importance of the droplet diameter on the accumulation rate. This observation is confirmed by two-phase flow PIV experiments as well. Accordingly, the droplet entrapment process is described by two mechanisms. The smaller droplets (representing a short characteristic time) appear to follow closely the air-phase. Thus, they may mix with the air-phase of the recirculation region downstream the inhibitor and can be carried into the cavity. On the other hand, the large droplets (representing a long characteristic time) are not able to follow the air-phase motion. Consequently, a large mean velocity difference is found between the droplets and the air-phase using the two-phase flow measurement data. Therefore, due to the inertia of the large droplets, they may fall into the cavity in function of the OT2NT and their velocity vector at the level of the inhibitor tip.<p><p>Finally, a third mechanism, dripping is identified as a contributor to the accumulation process. In the current quasi axial 2D-like set-up large drops are dripping from the inhibitor. In this configuration they are the main source of the accumulation process. Therefore, additional numerical simulations are performed to estimate the importance of dripping in more realistic configurations. The preliminary results suggest that dripping is not the main mechanism in the real slag accumulation process. However, it may still lead to a considerable contribution to the final amount of slag.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

[ES] En un presente marcado por la continua lucha contra la contaminación y el cambio climático, la investigación en mejoras tecnológicas que permitan una transición aceptable para la sociedad hacia un futuro más ecológico ocupa un papel fundamental. En concreto, la aviación es un foco constante de innovación, ya que es considerada una función indispensable en una sociedad tan globalizada como la actual, pero con unos niveles de contaminación preocupantes. En este aspecto, el desarrollo de motores con altas eficiencias es un paso clave para la transición medioambiental. Sin embargo, estas alternativas presentan un reto tecnológico en cuanto a su gestión térmica basado, principalmente, en la necesidad de aumentar la refrigeración. En este contexto e impulsada por el proyecto "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, esta tesis doctoral se centra en el estudio experimental de geometrías de intercambiadores de calor de superficie para la refrigeración del aceite motor mediante el uso del aire del flujo secundario del turbofan. Actualmente, existen una serie de limitaciones en cuanto a las capacidades para llevar a cabo un análisis y diseño detallado de este tipo de intercambiadores de calor debido a la falta de instalaciones que permitan un correcta, completa y robusta caracterización experimental. Las principales fuentes de datos se basan en cálculos numéricos validados a partir de extrapolaciones en condiciones de cuestionable aplicabilidad. A lo largo de la tesis se presentan los resultados obtenidos tras una detallada caracterización de cuatro diferentes geometrías de intercambiadores de calor empleando tanto técnicas intrusivas como ópticas. Se utiliza un banco de flujo capaz de generar una corriente de aire típica alrededor de los intercambiadores, mientras que un sistema de acondicionamiento de aceite controla el punto de operación por el lado caliente. Para recrear de manera más realista las condiciones de funcionamiento, se presenta una metodología para generar de manera automática pantallas de distorsión que pueden reproducir una distribución bidimensional de velocidades objetivo mediante la manufactura aditiva de paneles de porosidad variable. Este modelo, analizado mediante CFD y validado experimentalmente, se utiliza para reproducir el perfil de velocidades típico presente en torno al intercambiador en una circunstancia real de operación. Tras definir métricas relevantes que permitan analizar el comportamiento de las distintas geometrías, se llega a la conclusión de que los problemas aerodinámico y térmico están altamente acoplados en estos dispositivos, demostrando la necesidad de un cuidadoso diseño para mejorar las actuaciones del intercambiador. Los resultados muestran que puede llegar a obtenerse una mejora de más de un 12% en la caída de presión y casi un 20% en el intercambio de calor. Además, se ha confirmado el impacto del uso de la pantalla de distorsión, con variaciones del orden de 10% en ambas variables. Los resultados también muestran que es posible realizar una caracterización preliminar de manera fiable con un modelo impreso en 3D, en cuanto campos de velocidades, pérdidas de presión y frecuencias propias corregidas. Con el análisis llevado a cabo en esta tesis, se puede concluir que es fundamental tener una instalación experimental que reproduzca las condiciones de funcionamiento reales de un motor para realizar estudios relevantes de intercambiadores de calor. Además, es necesario el uso de métricas adecuadas junto con el desarrollo de una metodología exhaustiva, fiable y robusta. Los resultados y metodología presentados en en esta investigación pueden llegar a tener un impacto importante tanto a nivel académico como industrial, ya que abren la puerta a desarrollar sistemas de gestión térmica más eficiente en unas etapas de diseño preliminares que son más asequibles económicamente, consumen menos tiempo y tienen mayor flexibilidad para introducir modificaciones. / [CAT] En un present marcat per la lluita contínua contra la contaminació i el canvi climàtic, la recerca en millores tecnològiques que permetin una transició acceptable per a la societat cap a un futur més ecològic ocupa un paper fonamental. En concret, l'aviació és un focus constant d'innovació, ja que és considerada una funció indispensable en una societat tan globalitzada com l'actual però amb uns nivells de contaminació preocupants. En aquest aspecte, el desenvolupament de motors amb altes eficiències és un pas clau per a la transició mediambiental. Tot i això, aquestes alternatives presenten un repte tecnològic quant a la seva gestió tèrmica basat, principalment, en la necessitat d'augmentar la refrigeració. En aquest context i impulsada pel projecte "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi experimental de geometries d'intercanviadors de calor de superfície per a la refrigeració de l'oli motor mitjançant l'ús de l'aire del flux secundari del turbofan. Actualment, hi ha una sèrie de limitacions quant a les capacitats per dur a terme una anàlisi i disseny detallat d'aquest tipus d'intercanviadors de calor a causa de la manca d'instal·lacions que permetin una caracterització experimental correcta, completa i robusta. Les fonts de dades principals es basen en càlculs numèrics validats a partir d'extrapolacions en condicions de qüestionable aplicabilitat. Al llarg de la tesi es presenten els resultats obtinguts després d'una detallada caracterització de quatre geometries diferents d'intercanviadors de calor emprant tant tècniques intrusives com òptiques. Sutilitza un banc de flux capaç de generar un corrent daire típic al voltant dels intercanviadors, mentre que un sistema de condicionament doli controla el punt doperació pel costat calent. Per recrear de manera més realista les condicions de funcionament, es presenta una metodologia per generar de manera automàtica pantalles de distorsió que poden reproduir una distribució bidimensional de velocitats objectiu mitjançant la manufactura additiva de panells de porositat variable. Aquest model, analitzat mitjançant CFD i validat experimentalment, sutilitza per reproduir el perfil de velocitats típic present al voltant de lintercanviador en una circumstància real doperació. Després de definir mètriques rellevants que permetin analitzar el comportament de les diferents geometries, s'arriba a la conclusió que els problemes aerodinàmic i tèrmic estan altament acoblats en aquests dispositius, demostrant la necessitat d'un disseny acurat per millorar les actuacions de l'intercanviador. Els resultats mostren que es pot arribar a obtenir una millora de més d'un 12% a la caiguda de pressió i gairebé un 20% a l'intercanvi de calor. A més, s'ha confirmat l'impacte de l'ús de la pantalla de distorsió, amb variacions de l'ordre del 10% a les dues variables. Els resultats també mostren que és possible fer una caracterització preliminar de manera fiable amb un model imprès en 3D, en tant que camps de velocitats, pèrdues de pressió i freqüències pròpies corregides. Amb l'anàlisi duta a terme en aquesta tesi, es pot concloure que és fonamental tenir una instal·lació experimental que reprodueixi les condicions de funcionament reals d'un motor per fer estudis rellevants d'intercanviadors de calor. A més, cal fer servir mètriques adequades juntament amb el desenvolupament d'una metodologia exhaustiva, fiable i robusta. Els resultats i metodologia presentats en aquesta investigació poden arribar a tenir un impacte important tant a nivell acadèmic com industrial, ja que obren la porta a desenvolupar sistemes de gestió tèrmica més eficient en unes etapes de disseny preliminars que són més assequibles econòmicament, consumeixen menys temps i tenen més flexibilitat per introduir modificacions. / [EN] In a present marked by the continuous fight against pollution and climate change, research into technological improvements that allow an acceptable transition for society towards a greener future occupies a fundamental role. Specifically, aviation is a constant focus of innovation, since it is considered an essential function in a society as globalized as today's, but with worrying levels of pollution. In this regard, the development of motors with high efficiencies is a key step for the environmental transition. However, these alternatives present a technological challenge in terms of their thermal management, based mainly on the need to increase cooling. In this context and promoted by the Clean Sky 2 "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" project, this doctoral thesis focuses on the experimental study of surface heat exchanger geometries for engine oil cooling using the use of secondary flow air from the turbofan. Currently, there are a number of limitations regarding the capacity to carry out a detailed analysis and design of this type of heat exchanger due to the lack of facilities that allow a correct, complete and robust experimental characterization. The main data sources are based on numerical calculations validated from extrapolations under conditions of questionable applicability. The thesis presents results after a detailed characterization of four different geometries of heat exchangers using both intrusive and optical techniques. A flow bench capable of generating a typical air current around the exchangers is used, while an oil conditioning system controls the point of operation on the hot side. To more realistically recreate operating conditions, a methodology is presented to automatically generate distortion screens that can reproduce a two-dimensional distribution of target velocities through additive manufacturing of variable porosity panels. This model, analyzed by means of CFD and validated experimentally, is used to reproduce the typical speed profile present around the exchanger in a real operating circumstance. After defining relevant metrics that allow analyzing the behaviour of the different geometries, it is concluded that aerodynamic and thermal problems are highly coupled in these devices, demonstrating the need for careful design to improve the exchanger's performance. The results show that an improvement of more than 12% in pressure drop and almost 20% in heat exchange can be obtained. In addition, the impact of using the distortion screen has been confirmed, with variations of the order of 10% in both variables. The results also show that it is possible to carry out a preliminary characterization in a reliable way with a 3D printed model, in terms of velocity fields, pressure losses and corrected eigenfrequencies. With the analysis carried out in this thesis, it can be concluded that it is essential to have an experimental installation that reproduces the real operating conditions of an engine to carry out relevant studies of heat exchangers. In addition, the use of appropriate metrics is necessary together with the development of a comprehensive, reliable and robust methodology. The results and methodology presented in this research can have a significant impact both at an academic and industrial level, since they open the door to developing more efficient thermal management systems in preliminary design stages that are more affordable, consume less time and have more flexibility to make changes. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Univer- sitat Politècnica de València under grant PAID-01-20 n◦ 21589. This project has received funding from the Clean Sky 2 Joint Undertak- ing under the European Unions Horizon 2020 research and innovation pro- gramme under grant agreement No 831977 Aerodynamic upgrade of Sur- face Air-Cooled Oil Coolers (SACOC) / Felgueroso Rodríguez, A. (2023). Aerothermal Characterisation of Surface Heat Exchangers for Turbofans [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195852

The paper presents new results concerning the influence of the gas density and porous plug diameter on the nature of liquid steel stirring with an inert gas in the ladle. The tests were carried out on a cold model of a 30t ladle using particle image velocimetry (PIV) with a high-speed camera to analyse the plume zone formed during the supply of argon and helium as a stirring gas. The similarity criteria for the investigation of stirring processes in cold model in the past were discussed and compared. The modified Morton number was used in this paper to relate the gas flow rate in the model with real objects. The presented results constitute complete documentation of the influence of the plug diameter and gas density on the size of formed gas bubbles and the velocity of gas bubbles rising in different zones of the plume, plume, and spout geometry, including the expansion angle, spout height, open eye area, and gas hold-up.