No description available.

Airplane wings, turbine blades and other structures subjected to air or water flows, can undergo motions depending on their flexibility. As such, the performance of these systems depends strongly on their geometry and material properties. Of particular importance is the contribution of different nonlinear aspects. These aspects can be of two types: aerodynamic and structural. Examples of aerodynamic aspects include but are not lomited to flow separation and wake effects. Examples of structural aspects include but not limited to large deformations (geometric nonlinearities), concentrated masses or elements (inertial nonlinearities) and freeplay. In some systems, and depending on the parameters, the nonlinearities can cause multiple solutions. Determining the effects of nonlinearities of an aeroelastic system on its response is crucial. In this dissertation, different aeroelastic configurations where nonlinear aspects may have significant effects on their performance are considered. These configurations include: the effects of the wake on the flutter speed of a wing placed under different angles of attack, the impacts of the wing rotation as well as the aerodynamic and structural nonlinearities on the flutter speed of a rotating blade, and the effects of the recently proposed nonlinear energy sink on the flutter and ensuing limit cycle oscillations of airfoils and wings. For the modeling and analysis of these systems, we use models with different levels of fidelity as required to achieve the stated goals. We also use nonlinear dynamic analysis tools such as the normal form to determine specific effects of nonlinearities on the type of instability. / Ph. D.

In 2018, the shipping industry accounted for 2.89% of worldwide greenhouse gas (GHG) emissions, with carbon dioxide (CO2) being the most significant GHG affecting global warming (IMO, 2020). This research aims to introduce a method for selecting propellers at the early design stage to lower CO2 emissions from ships.Traditionally, propeller design assumes that a ship travels in a straight line at a constant speed. However, real-sea conditions involve environmental forces and ship maneuvering, requiring frequent adjustments in speed and direction. These adjustments affect the flow angle and velocity at the propeller, causing it to operate outside its design point and, as a result, reducing its efficiency.To tackle this issue, a MATLAB-based simulation program was developed. Which predicts ship maneuvering motions in 4 degrees of freedom (DOF)—surge, sway, yaw, and roll—using the MMG model. The program applies wave and wind forces, calculates ship motion responses in each iteration, and employs two controllers to manage the rudder and propeller speed, ensuring the ship stays on course and arrives on time.The optimization process is iterative, using simulation outcomes to determine propeller speed, thrust, drift angle, etc., and then selecting an optimized propeller with the program's optimization tool that is more adequate for the operational condition.Building on Trodden's (2014) work, this approach improves maneuvering simulations' accuracy by incorporating ship rolling motion, more realistic wave modeling, and more accurate hydrodynamic coefficients. This offers a closer representation of operational conditions.Case studies comparing this method with the traditional approach to propeller selection have shown the simulation program's precision and its effectiveness in improving propeller open water efficiency by 1.65% and reducing CO2 emissions by 1.47% for a Pure Car Carrier (PCC) ship. The results of the research showed a promising potential for the program to predict ship maneuvering motions in real-sea conditions and optimize the propeller. / År 2018 stod sjöfartsindustrin för 2,89 % av de globala utsläppen av växthusgaser (GHG), där koldioxid (CO2) är den mest betydande växthusgasen som påverkar den globala uppvärmningen (IMO, 2020). Denna forskning syftar till att introducera en metod för val av propellrar i det tidiga designskedet för att sänka CO2-utsläppen från fartyg.Traditionellt antar propellerdesignen att ett fartyg reser i rakt linje med konstant hastighet. Men verkliga sjöförhållanden involverar miljöpåverkan och fartygsmanövreringar, vilket kräver frekventa justeringar av hastighet och riktning. Dessa justeringar påverkar flödesvinkeln och hastigheten vid propellern, vilket gör att den opererar utanför sin designpunkt och som ett resultat minskar dess effektivitet. För att ta itu med denna fråga utvecklades ett MATLAB-baserat simuleringsprogram. Programmet förutsäger fartygsmanövreringsrörelser i 4 frihetsgrader (DOF) - surge, sway, yaw och roll - med användning av MMG-modellen. Programmet tillämpar våg- och vindkrafter, beräknar fartygsrörelsesvar i varje iteration och använder två kontrollanter för att hantera rodret och propellerhastigheten, vilket säkerställer att fartyget håller kursen och ankommer i tid.Optimeringsprocessen är iterativ, använder simuleringsresultat för att bestämma propellerhastighet, dragkraft, drifvinkel osv., och väljer sedan en optimerad propeller med programmets optimeringsverktyg som är mer lämplig för driftsförhållandet. Genom att bygga vidare på Troddens (2014) arbete förbättrar denna metod noggrannheten i manövreringssimuleringar genom att inkludera fartygets rullningsrörelse, mer realistisk vågmodellering och mer exakta hydrodynamiska koefficienter. Detta erbjuder en närmare representation av driftsförhållanden.Fallstudier som jämför denna metod med det traditionella tillvägagångssättet för val av propeller har visat simuleringsprogrammets precision och dess effektivitet i att förbättra propellerns öppenvatteneffektivitet med 1,65 % och minska CO2-utsläppen med 1,47 % för ett Pure Car Carrier (PCC) -fartyg. Forskningens resultat visade en lovande potential för programmet att förutsäga fartygsmanövreringsrörelser under verkliga sjöförhållanden och optimera propellern.

La micropile à combustible à respiration est développée conjointement à STMicroelectronics Tours et au CEA Liten de Grenoble. De très faible puissance (stack de 1W), elle sera à moyen terme utilisée dans un système de recharge portable pour petites batteries Li-Ion (téléphones portables). Le fonctionnement et la structure de ces micropiles sont tels qu'elles sont très sensibles, entre autres, aux conditions atmosphériques caractérisant leur environnement. Cette sensibilité résulte en un comportement électrique très marqué et complexe. Or, l'aspect nomade de l'application fait que celle-ci devra pouvoir faire face à des atmosphères diverses et variées. Il est donc nécessaire de comprendre les interactions liant le comportement électrique de la micropile et l'environnement. Leur modélisation pourra par la suite apporter des éléments concrets en termes de pilotage d'auxiliaires (micro ventilateurs…) et de design de packaging, visant à contrôler l'environnement immédiat de la micropile de la meilleure façon possible. A cet effet, de nombreuses mesures, réalisées sous atmosphère maîtrisée, et sous plusieurs régimes de fonctionnement électrique, ont été croisées entre elles. Elles nous ont permis de poser les hypothèses d'un modèle quasistatique macroscopique de la micropile, reliant les conditions atmosphériques et opératoires à la réponse électrique de la micropile. Ce modèle a été développé à partir de la théorie de la diffusion en milieu poreux. Ce modèle quasistatique, faisant intervenir une description de la diffusion protonique cathodique, permet de représenter le comportement de la micropile sur une large gamme de conditions atmosphériques, et illustre physiquement autant les situations d'assèchement que de noyage. L’approche a ensuite été élargie au développement d'un modèle petit signal, paramétré grâce à une approche multi spectrale et multi conditions opératoires. Celui-ci permet entre autres de quantifier la dynamique associée au phénomène de diffusion protonique, tout en consolidant sa description quasistatique, ceci faisant intervenir des paramètres cohérents avec ceux du modèle quasistatique. Enfin, à la croisée des approches quasistatique et petit signal, les bases d'un modèle dynamique fort signal sont proposées. Elles font intervenir le modèle fort signal propre au LAPLACE, en y injectant la réponse dynamique à l'environnement et à la sollicitation électrique du bilan hydrique. Ce modèle, paramétré avec les paramètres issus du quasistatique et du petit signal, permet de représenter le comportement non linéaire de la micropile sur une large gamme de fréquences de sollicitations galvanostatiques fort signal. / The micro breathing fuel cell is developed by STMicroelectronics Tours and the CEA Liten of Grenoble. It is very low power (1W stack) and will eventually be used in a portable charging system for small Li-Ion batteries (cell phones). The structure of these micro fuel cells is such that they are very sensitive, among other things, to weather conditions characterizing their environment. This sensitivity results in a very complex electrical behavior. But the portable aspect of the application implies that it will have to cope with various atmospheres. It is therefore necessary to understand the interactions linking the electrical behavior of the micro fuel cell and the atmosphere. A model may then provide some concrete leads in terms of auxiliary control (micro fans ...) and packaging design, to control the immediate environment of the microcell in the best possible way. To this end, a lot of measure were carried out under controlled atmosphere, and in several electrical operating modes, and were crossed with each other. They let us build the assumptions for a macroscopic steady state model of micro fuel cell, linking atmospheric and operating conditions to the electrical response of the micro fuel cell. This model was inspired by the theory of diffusion in porous media. This steady state model, involving a description of a cathodic protonic diffusion, is used to represent the behavior of the micro fuel cell on a wide range of atmospheric conditions, and physically illustrates both drying out situations than drowning. The approach was then extended to develop a small signal model, configured with a multi spectral and multi-operating conditions approach. It allows among other things to quantify the dynamics associated with the phenomenon of proton diffusion, while consolidating its steady state description, this involving parameters consistent with those of the steady state model. Finally, at the intersection of the steady state and small signal approaches, the bases for a large signal dynamic model are proposed. They involve the large signal model which is specific to the LAPLACE, by injecting in it the dynamic response to environmental stress and to water balance. This model, with parameters set from the steady state and small signal models, turns out to be able to represent the nonlinear behavior of the micro fuel cell over a wide range of frequencies of the galvanostatic strong signal solicitation

Large-scale testing of low-rise buildings or components of tall buildings is essential as it provides more representative information about the realistic wind effects than the typical small scale studies, but as the model size increases, relatively less large-scale turbulence in the upcoming flow can be generated. This results in a turbulence power spectrum lacking low-frequency turbulence content. This deficiency is known to have significant effects on the estimated peak wind loads. To overcome these limitations, the method of Partial Turbulence Simulation (PTS) has been developed recently in the FIU Wall of Wind lab to analytically compensate for the effects of the missing low-frequency content of the spectrum. This method requires post-test analysis procedures and is based on the quasi-steady assumptions. The current study was an effort to enhance that technique by investigating the effect of scaling and the range of applicability of the method by considering the limitations risen from the underlying theory, and to simplify the 2DPTS (includes both in-plane components of the turbulence) by proposing a weighted average method. Investigating the effect of Reynolds number on peak aerodynamic pressures was another objective of the study. The results from five tested building models show as the model size was increased, PTS results showed a better agreement with the available field data from TTU building. Although for the smaller models (i.e., 1:100,1:50) almost a full range of turbulence spectrum was present, the highest peaks observed at full-scale were not reproduced, which apparently was because of the Reynolds number effect. The most accurate results were obtained when the PTS was used in the case with highest Reynolds number, which was the1:6 scale model with a less than 5% blockage and a xLum/bm ratio of 0.78. Besides that, the results showed that the weighted average PTS method can be used in lieu of the 2DPTS approach. So to achieve the most accurate results, a large-scale test followed by a PTS peak estimation method deemed to be the desirable approach which also allows the xLum/bm values much smaller than the ASCE recommended numbers.

[ES] A pesar de la importancia de las turbinas radiales de doble entrada y doble voluta en el flujo para motores turboalimentados, sus mapas característicos y su modelado totalmente predictivo utilizando códigos dinámicos de gas 1D aún no están bien establecidos. La complejidad del flujo no estacionario y la admisión desigual de estas turbinas, cuando funcionan con pulsos de gases de escape del motor, las convierte en un sistema desafiante. Principalmente debido a la admisión de flujo desigual, se introduce un grado adicional de libertad con respecto a las turbinas conocidas como de una sola entrada con o sin álabes en el estator. Además, la adición de la segunda entrada a la voluta de la turbina aporta una complejidad adicional para determinar los parámetros de rendimiento de la turbina en estacionario estable y en condiciones de admisión desiguales.Esta tesis tiene como novedad principal un procedimiento simple para caracterizar experimentalmente y elaborar mapas característicos de estas turbinas con condiciones de flujo desiguales. Este método de análisis permite interpolar fácilmente dentro de los mapas distintivos propuestos o ajustar modelos simples y convincentes para calcular y extrapolar parámetros de rendimiento completo de turbinas de doble entrada y doble voluta. También hemos descrito aquí, dos modelos innovadores de línea media 0D que requieren una cantidad mínima de datos experimentales para calibrar ambos: es decir, el modelo de parámetros de flujo másico y el modelo de eficiencia isentrópica. Ambos modelos son predictivos en condiciones de admisión de flujo parcial o desigual utilizando como entradas: la relación de flujo másico entre ramas; la relación de temperatura total entre ramas; la relación de velocidad de álabe a chorro en cada rama y la relación de presión en cada rama. Estas cinco entradas generalmente son proporcionadas instantáneamente por códigos de dinámica de gas 1D. Por lo tanto, la novedad del modelo es su capacidad de ser utilizado de manera casi constante para la predicción del rendimiento de las turbinas de doble entrada y de doble voluta. Esto se puede lograr instantáneamente ya que las turbinas se calculan en condiciones de flujo pulsante y desigual en motores turbo alimentados. Además, se muestra una metodología para caracterizar el coeficiente de descarga de una válvula de alivio de presión. Para estimar el flujo de gas por la válvula de alivio en modelos unidimensionales, se correlaciona y valida un modelo empírico. Finalmente, se ha elaborado un mapa óptimo del coeficiente de descarga a través del método de interpolación, que puede integrarse en el sistema de modelo de motor turboalimentado completo unidimensional, para calcular el flujo másico real a través de la válvula de descarga y las válvulas de conexión de desplazamiento. Finalmente, los modelos han sido completamente validados al acoplarlos con un software de modelado unidimensional que simula tanto el banco de gas como el motor completo. Por un lado, los resultados de las validaciones del banco de gas muestran que el modelo puede predecir bien todas las variables de flujo estacionario. Por otro lado, los resultados de la validación de todo el motor muestran que el modelo es capaz de producir todas las variables del motor a plena carga como el flujo de masa de aire y el par de frenado con un buen grado de acuerdo con los datos experimentales. / [EN] Despite the importance of radial in-flow twin-entry and dual-volute turbines for turbocharged engines, their characteristic maps and fully predictive modelling using 1D gas dynamic codes are not well established yet. The complexity of the un-steady flow and the unequal admission of these turbines, when operating with pulses of engine exhaust gas, make them a challenging system. Mainly due to the unequal flow admission, an additional degree of freedom is introduced to well-known single entry vanned or vaneless turbines. Moreover, the addition of the second inlet to the turbine volute brings extra complexity in determining the steady-state turbine performance parameters under unequal admission conditions. This thesis has a main novelty, which is a simple procedure for characterizing experimentally and elaborating characteristic maps of these turbines with unequal flow conditions. This method of analysis allows easy interpolating within the proposed distinctive maps or simple convincing models for calculating and extrapolating full performance parameters of twin-entry and dual-volute turbines. Here are also described two innovative 0D mean-line models that require a minimum quantity of experimental data for calibrating both: i.e. the mass flow parameter model and the isentropic efficiency model. Both models are predictive either in partial or unequal flow admission conditions using as inputs: the mass flow ratio and the total temperature ratio between the branches; the blade speed ratio and expansion ratio in each branch. These six inputs are generally instantaneously provided by 1D gas-dynamics codes.} Therefore, the novelty of the model is its ability to be used in a quasi-steady way for twin and dual-volute turbines performance prediction. This can be achieved instantaneously as turbines are calculated under pulsating and uneven flow conditions at turbocharged engines. Furthermore, a methodology for characterizing the discharge coefficient of a wastegate and scroll connection valve in a gas stand is shown. For estimating the gas flow over the same in one-dimensional models, an empirical model is correlated and validated. Finally, an optimal map of discharge coefficient has been drawn out through the interpolation method. This map can be integrated into the full one-dimensional turbocharged engine model system, in order to calculate the actual mass flow through the wastegate and scroll connection valves. Finally, the models have been fully validated by coupling them with one-dimensional modelling software and simulated both the gas stand and the whole engine measured points. On the one hand, the validation results from the gas stand simulation show that the model can predict well all steady flow variables. On the other hand, the validation results from the whole engine simulation show that the model is able to produce all the full load engine variables like air mass flow and brake torque in a reasonable degree of agreement with the experimental data. / [CA] Malgrat la importància de les turbines radials amb doble entrada i de doble voluta per als motors turboalimentats, els seus mapes característics i el seu model completament predictiu mitjançant codis dinàmics de gas 1D encara no estan ben establerts. La complexitat del flux constant i l'admissió desigual d'aquestes turbines, quan funcionen amb polsos de gas d'escapament del motor, les converteixen en un sistema difícil. Principalment a causa de la admissió de flux desigual, s'introdueix un grau addicional de llibertat a les conegudes turbines vendes o d'entrada d'una sola entrada. A més, l'addició de la segona entrada a la voluta de la turbina aporta una complexitat addicional per determinar els paràmetres de rendiment de la turbina en estat estacionari en condicions d'admissió desigual. Aquesta tesi té com a novetat principal un procediment senzill per caracteritzar experimentalment i elaborar mapes característics d'aquestes turbines amb condicions de cabal desigual. Aquest mètode d'anàlisi permet interpolar fàcilment dins dels mapes distintius proposats o models senzills convincents per calcular i extrapolar paràmetres de rendiment complet de les turbines d'entrada doble i de doble voluta. Aquí també hem descrit dos models innovadors de línia mitjana 0D que requereixen una quantitat mínima de dades experimentals per calibrar tots dos: és a dir, el model de paràmetre de flux massiu i el model d'eficiència isentròpica. Els dos models són predictius en condicions d'admissió de flux parcial o desigual utilitzant com a entrada: la proporció de flux entre les branques; la relació total de la temperatura entre les branques; la relació velocitat fulla-raig a cada branca i la proporció de pressió a cada branca. Aquests cinc inputs generalment es proporcionen de manera instantània mitjançant codis de dinàmica de gas 1D. Per tant, la novetat del model és la seva capacitat d'utilitzar-se d'una manera quasi constant per a la predicció del rendiment de les turbines bessones i de doble voluta. Es pot aconseguir de forma instantània, ja que les turbines es calculen en condicions de flux pulsatòries i desiguals en motors turboalimentats. A més, es mostra una metodologia per a caracteritzar el coeficient de descàrrega d'una vàlvula de connexió per canals i desplaçaments en un suport de gas. Per estimar el flux de gas sobre el mateix en models unidimensionals, es correlaciona i valida un model empíric. Finalment, s'ha elaborat un mapa òptim de coeficient de descàrrega mitjançant el mètode d'interpolació, que pot integrar-se al sistema de model turboalimentat complet del motor turbo, per calcular el cabal de massa real a través de les vàlvules de connexió de desguàs i desplaçament. Finalment, els models s'han validat completament combinant-los amb un programari de modelatge unidimensional que simula tant el suport de gas com el motor sencer. D'una banda, els resultats de les validacions de l'estand de gas demostren que el model és capaç de predir bé totes les variables de flux constant. D'altra banda, els resultats de validació del motor complet demostren que el model és capaç de produir totes les variables del motor de càrrega completa, com ara el flux de massa d'aire i el pare de fre d'una bona manera amb les dades experimentals. / Samala, V. (2020). Experimental characterization and mean line modelling of twin-entry and dual-volute turbines working under different admission conditions with steady flow [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153475 / TESIS