<p>Non-pulsatile and pulsatile flow in bent pipes and radial turbine has been assessed with numerical simulations. The flow field in a single bent pipe has been computed with different turbulence modelling approaches. A comparison with measured data shows that Implicit Large Eddy Simulation (ILES) gives the best agreement in terms of mean flow quantities. All computations with the different turbulence models qualitatively capture the so called Dean vortices. The Dean vortices are a pair of counter-rotating vortices that are created in the bend, due to inertial effects in combination with a radial pressure gradient. The pulsatile flow in a double bent pipe has also been considered. In the first bend, the Dean vortices are formed and in the second bend a swirling motion is created, which will together with the Dean vortices create a complex flow field downstream of the second bend. The strength of these structures will vary with the amplitude of the axial flow. For pulsatile flow, a phase shift between the velocity and the pressure occurs and the phase shift is not constant during the pulse depending on the balance between the different terms in the Navier- Stokes equations.</p><p>The performance of a radial turbocharger turbine working under both non-pulsatile and pulsatile flow conditions has also been investigated by using ILES. To assess the effect of pulsatile inflow conditions on the turbine performance, three different cases have been considered with different frequencies and amplitude of the mass flow pulse and different rotational speeds of the turbine wheel. The results show that the turbine cannot be treated as being quasi-stationary; for example, the shaft power varies with varying frequency of the pulses for the same amplitude of mass flow. The pulsatile flow also implies that the incidence angle of the flow into the turbine wheel varies during the pulse. For the worst case, the relative incidence angle varies from approximately −80° to +60°. A phase shift between the pressure and the mass flow at the inlet and the shaft torque also occurs. This phase shift increases with increasing frequency, which affects the accuracy of the results from 1-D models based on turbine maps measured under non-pulsatile conditions.</p><p>For a turbocharger working under internal combustion engine conditions, the flow into the turbine is pulsatile and there are also unsteady secondary flow components, depending on the geometry of the exhaust manifold situated upstream of the turbine. Therefore, the effects of different perturbations at the inflow conditions on the turbine performance have been assessed. For the different cases both turbulent fluctuations and different secondary flow structures are added to the inlet velocity. The results show that a non-disturbed inlet flow gives the best performance, while an inflow condition with a certain large scale eddy in combination with turbulence has the largest negative effect on the shaft power output.</p>

Non-pulsatile and pulsatile flow in bent pipes and radial turbine has been assessed with numerical simulations. The flow field in a single bent pipe has been computed with different turbulence modelling approaches. A comparison with measured data shows that Implicit Large Eddy Simulation (ILES) gives the best agreement in terms of mean flow quantities. All computations with the different turbulence models qualitatively capture the so called Dean vortices. The Dean vortices are a pair of counter-rotating vortices that are created in the bend, due to inertial effects in combination with a radial pressure gradient. The pulsatile flow in a double bent pipe has also been considered. In the first bend, the Dean vortices are formed and in the second bend a swirling motion is created, which will together with the Dean vortices create a complex flow field downstream of the second bend. The strength of these structures will vary with the amplitude of the axial flow. For pulsatile flow, a phase shift between the velocity and the pressure occurs and the phase shift is not constant during the pulse depending on the balance between the different terms in the Navier- Stokes equations. The performance of a radial turbocharger turbine working under both non-pulsatile and pulsatile flow conditions has also been investigated by using ILES. To assess the effect of pulsatile inflow conditions on the turbine performance, three different cases have been considered with different frequencies and amplitude of the mass flow pulse and different rotational speeds of the turbine wheel. The results show that the turbine cannot be treated as being quasi-stationary; for example, the shaft power varies with varying frequency of the pulses for the same amplitude of mass flow. The pulsatile flow also implies that the incidence angle of the flow into the turbine wheel varies during the pulse. For the worst case, the relative incidence angle varies from approximately −80° to +60°. A phase shift between the pressure and the mass flow at the inlet and the shaft torque also occurs. This phase shift increases with increasing frequency, which affects the accuracy of the results from 1-D models based on turbine maps measured under non-pulsatile conditions. For a turbocharger working under internal combustion engine conditions, the flow into the turbine is pulsatile and there are also unsteady secondary flow components, depending on the geometry of the exhaust manifold situated upstream of the turbine. Therefore, the effects of different perturbations at the inflow conditions on the turbine performance have been assessed. For the different cases both turbulent fluctuations and different secondary flow structures are added to the inlet velocity. The results show that a non-disturbed inlet flow gives the best performance, while an inflow condition with a certain large scale eddy in combination with turbulence has the largest negative effect on the shaft power output. / QC 20101111

[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

Since the late 19th century, the average temperature on Earth has risen by approximately 1.1 °C because of the increased carbon dioxide (CO2) and other man-made emissions to the atmosphere. The transportation sector is responsible for approximately 33% of the global CO2 emissions and 14% of the overall greenhouse gas emissions. Therefore, increasingly stringent regulations in the European Union require CO2 emissions to be lower than 95 gCO₂/km by 2020. In this regard, improvements in internal combustion engines (ICEs)must be achieved in terms of fuel consumption and CO2 emissions. Given that only up to 35% of fuel energy is converted into mechanical power, the wasted energy can be reused through waste heat recovery (WHR) technologies. Consequently, organic Rankine cycle (ORC) has received significant attention as a WHR technology because of its ability to recover wasted heat in low- to medium-heat sources. The Expansion machine is the key component in ORC systems, and its performance has a direct and significant impact on overall cycle efficiency. However, the thermal efficiencies of ORC systems are typically low due to low working temperatures. Moreover, supersonic conditions at the high pressure ratios are usually encountered in the expander due to the thermal properties of the working fluids selected which are different to water. Therefore, this thesis aims to design an efficient radial-inflow turbine to avoid further efficiency reductions in the overall system. To fulfil this aim, a novel design and optimisation methodology was developed. A design of experiments technique was incorporated in the methodology toexplorethe effects of input parameters on turbine performance and overall size. Importantly, performance prediction modelling by means of 1D mean-line modelling was employed in the proposed methodology to examine the performance of ORC turbines at constant geometries. The proposed methodology was validated by three methods: computational fluid dynamics analysis, experimental work available in the literature, and experimental work in the current project. Owing to the lack of actual experimental works in ORC-ICE applications, a test rig was built around a heavy-duty diesel engine at Brunel University London and tested at partial load conditions due to the requirement for a realistic off-high representation of the performance of the system rather than its best (design) point, while taking into account the limitation of the engine dynamometer employed. Results of the design methodology developed for this projectpresented an efficient single-stage high-pressure ratio radial-inflow turbine with a total to static efficiency of 74.4% and an output power of 13.6 kW.Experimental results showed that the ORC system had a thermal efficiency of 4.3%, and the brake-specific fuel consumption of the engine was reduced by 3%. The novel meanlineoff designcode (MOC) was validated with the experimental works from three turbines. In comparison with the experimental results conducted at Brunel University London, the predicted and measured results were in good agreement with a maximum deviation of 2.8%.

At the end of the 19th Century, the invention of the Internal Combustion Engine (ICE) marked the beginning of our current lifestyle. Soon after the first ICE patent, the importance of increasing air pressure upstream the engine cylinders was revealed. At the beginning of the 20th Century turbo-machinery developments (which had started time before), met the ICE what represented the beginning of turbocharged engines. Since that time, the working principle has not fundamentally changed. Nevertheless, stringent emissions standards and oil depletion have motivated engine developments; among them, turbocharging coupled with downsized engines has emerged as the most feasible way to increase specific power while reducing fuel consumption. Turbocharging has been traditionally a complex problem due to the high rotational speeds, high temperature differences between working fluids (exhaust gases, compressed air, lubricating oil and cooling liquid) and pulsating flow conditions. To improve current computational models, a new procedure for turbochargers characterization and modelling has been presented in this Thesis. That model divides turbocharger modelling complex problem into several sub-models for each of the nonrecurring phenomenon; i.e. heat transfer phenomena, friction losses and acoustic non-linear models for compressor and turbine. A series of ad-hoc experiments have been designed to aid identifying and isolating each phenomenon from the others. Each chapter of this Thesis has been dedicated to analyse that complex problem proposing different sub-models. First of all, an exhaustive literature review of the existing turbocharger models has been performed. Then a turbocharger 1-D internal Heat Transfer Model (HTM) has been developed. Later geometrical models for compressor and turbine have been proposed to account for acoustic effects. A physically based methodology to extrapolate turbine performance maps has been developed too. That model improves turbocharged engine prediction since turbine instantaneous behaviour moves far from the narrow operative range provided in manufacturer maps. Once each separated model has been developed and validated, a series of tests considering all phenomena combined have been performed. Those tests have been designed to check model accuracy under likely operative conditions. The main contributions of this Thesis are the development of a 1-D heat transfer model to account for internal heat fluxes of automotive turbochargers; the development of a physically-based turbine extrapolation methodology; the several tests campaigns that have been necessary to study each phenomenon isolated from others and the integration of experiments and models in a comprehensive characterization procedure designed to provide 1-D predictive turbocharger models for ICE calculation. / Reyes Belmonte, MÁ. (2013). Contribution to the Experimental Characterization and 1-D Modelling of Turbochargers for IC Engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34777 / TESIS

[ES] Para lograr una correspondencia óptima entre el turbocompresor y el motor de combustión interna en un amplio rango del mapa de operación del motor, su compleja interacción se analiza comúnmente por medio de modelos transitorios unidimensionales. El flujo pulsante de los gases de escape del motor causa altas variaciones de caudal, presión total y temperatura total en la entrada de la turbina. Esto lleva a la turbina del turbocompresor hacia condiciones extremadamente fuera de diseño. Por lo tanto, se requieren amplios mapas de operación de turbina como entrada para estos modelos unidimensionales. La medida de los mapas de turbinas suele estar restringida por el choque y el bombeo del compresor. En esta tesis, el compresor del turbocompresor se convirtió en una turbina centrífuga para ayudar a la rotación del eje cuando la turbina produce o incluso consume baja potencia. Para aumentar la potencia de salida de la rueda del compresor, se colocó una IGV aguas arriba de la entrada del compresor. Para reducir el esfuerzo de adiabatización de la significativa transferencia de calor interna en estas condiciones de operación, se desarrolló una correlación simple que solo depende de las medidas de temperatura de fluidos. Con los datos obtenidos fuera del diseño, se validó una configuración de CFD para el logro de resultados convergentes en condiciones extremadamente fuera del diseño. Para reducir la problemática de los elevados ángulos de flujo en la salida de la turbina, cuando se opera con bajos caudales másicos, el conducto de salida se extendió y se tuvo que colocar un conducto cónico justo antes de la salida del dominio. Por medio de los resultados de CFD bien validados, se analizaron los efectos tridimensionales del flujo. Operando en condiciones fuera del diseño, el remolino de salida, y por lo tanto, el gradiente de presión estática es tan alto que el flujo colapsa y se produce un flujo reverso. Esta reversión del flujo regresa al interior del rotor y se mezcla nuevamente con el flujo principal. Por un lado, este efecto produce pérdidas de presión y un par localmente negativo en el rodete. Por otro lado, el flujo revertido aumenta localmente el flujo de masa y restringe la sección de flujo cerca de la carcasa. Por lo tanto, la carga del alabe y la producción de torsión local aumentan cerca del espacio por encima del alabe. Aunque se notó un cambio claro en la gráfica de la carga de la etapa en función del coeficiente de flujo tan pronto como ocurre el flujo reverso, no se puede notar un impacto claro en la eficiencia. El análisis adicional del flujo de fuga de la punta en un amplio rango mostró la importancia del flujo impulsado por fricción y el flujo de fuga inducido por incidencia en una condición fuera del diseño. En general, se observó que las pérdidas por fugas en la punta se volvieron más importantes a medida que la turbina opera lejos del punto de diseño. Finalmente, los efectos observados fueron modelados unidimensionalmente. Se desarrolló un modelo de pérdida de fugas en la punta que es capaz de reproducir las tendencias encontradas y muestra una buena capacidad de extrapolación. Los resultados fueron validados con los datos tridimensionales de CFD. A continuación, fue posible desarrollar un método novedoso para la caracterización del flujo de fuga de la punta, que puede modelar el momento y las velocidades del flujo de fuga de la punta para diferentes alturas de separación de la punta en condiciones de diseño y fuera del diseño. Siguiendo con lo anterior, se desarrolló un modelo de extrapolación unidimensional completo para mapas de eficiencia de turbinas adiabáticas. Aprovechando el modelo de fuga de puntas recientemente desarrollado y otros hallazgos de la campaña CFD, se logró una buena calidad de extrapolación en términos de velocidad, relación cinemática de BSR y apertura de VGT. La alta calidad de los resultados se estableció mediante la comparac / [CAT] Per aconseguir una correspondència òptima entre el turbocompressor i el motor de combustió interna en una amplia zona del mapa d'operació del motor, la seva complexa interacció s'analitza comunament per mitjà de models transitoris unidimensionals. El flux polsant dels gasos d'escapament del motor causa altes variacions de cabal, pressió total i temperatura total a l'entrada de la turbina. Això porta a la turbina del turbocompressor cap a condicions extremadament fora de disseny. Per tant, es requereixen amplis mapes d'operació de turbina com a entrada per a aquests models unidimensionals. La mesura dels mapes de turbines sol estar restringida pel choke i el surge del compressor. En aquesta tesi, el compressor del turbocompressor va esdevenir una turbina centrífuga per ajudar a la rotació de l'eix quan la turbina produeix o fins i tot consumeix baixa potència. Per augmentar la potència de sortida de la roda del compressor, es va col·locar una IGV aigües amunt de l'entrada del compressor. Per reduir l'esforç de adiabatización de la significativa transferència de calor interna en aquestes condicions d'operació, es va desenvolupar una correlació simple que només depèn de les mesures de temperatura del fluids. Amb les dades obtingudes fora del disseny, es va validar una configuració de CFD per a l'assoliment de resultats convergents en condicions extremadament fora del disseny. Per reduir la problemàtica dels elevats angles de flux a la sortida de la turbina, quan s'opera amb baixos cabals màssics, el conducte de sortida es va estendre i es va haver de posar un conducte cònic just abans de la sortida del domini. Per mitjà dels resultats de CFD ben validats, es van analitzar els efectes tridimensionals del flux. Operant en condicions fora del disseny, el remolí de sortida, i per tant, el gradient de pressió estàtica és tan alt que el flux col·lapsa i es produeix un flux revers. Aquesta reversió del flux torna a l'interior del rotor i es barreja novament amb el flux principal. D'una banda, aquest efecte produeix pèrdues de pressió i un parell localment negatiu en el rodet. D'altra banda, el flux revertit augmenta localment el flux de massa i restringeix la secció de flux prop del carcassa. Per tant, la càrrega del alabi i la producció de torsió local augmenten prop de l'espai per sobre damunt del alabi. Encara que es va notar un canvi clar en la gràfica de la càrrega de l'etapa en funció del coeficient de flux quan succeeix el flux revers, no es pot notar un impacte clar en l'eficiència. L'anàlisi addicional del flux de fugida de la punta en un ampli rang va mostrar la importància del flux impulsat per fricció i el flux de fugida induït per incidència en una condició fora del disseny. En general, es va observar que les pèrdues per fuites a la punta es van tornar més importants quan la turbina opera lluny del punt de disseny. Finalment, els efectes observats van ser modelats unidimensionalment. Es va desenvolupar un model de pèrdua de fuites a la punta que és capaç de reproduir les tendències trobades i mostra una bona capacitat d'extrapolació. Els resultats van ser validats amb les dades tridimensionals de CFD. A continuació, va ser possible desenvolupar un mètode innovador per a la caracterització del flux de fugida de la punta, que pot modelar el moment i les velocitats del flux de fugida de la punta per diferents alçades de separació de la punta en condicions de disseny i fora de l' disseny. Finalment, es va desenvolupar un model d'extrapolació unidimensional complet per a mapes d'eficiència de turbines adiabàtiques. Fent ús del model de fugida de puntes recentment desenvolupat i altres troballes de la campanya CFD, es va aconseguir una bona qualitat de extrapolació en termes de velocitat, relació cinemàtica de BSR i obertura de VGT. L'alta qualitat dels resultats es va establir mitjançant la comparació amb la gran quantitat de dades mesurades en primer lloc. / [EN] To achieve an optimal matching between the turbocharger and internal combustion engine over a wide range of the engine operation map, their complex interaction is commonly analyzed by means of transient one-dimensional modeling. The pulsating flow of the engine exhaust gases causes high variations of turbine inlet mass flow, total pressure, and total temperature. This pushes the turbocharger turbine operation towards extreme off-design conditions. Hence, wide turbine operation maps are required as input for the one-dimensional models. The measurement of turbine maps is typically restricted by compressor choke and surge. At the same time, only minor geometrical changes are required to maintain the important thermal characteristics of the turbocharger. In this thesis the turbocharger compressor was converted into a centrifugal turbine to assist the axis rotation when the turbine produces or even consumes low power. For enhancing the power output from the compressor wheel, an IGV was placed upstream of the compressor inlet. To reduce the effort for adiabatizing, a simple correlation only dependent on fluid temperature measurements was developed. Further test monitoring strategies were documented that can assist the measurement of off-design conditions. With the obtained off-design data a CFD setup for the achievement of convergent results in extreme off-design conditions was validated. To reduce the problem of high swirl angles in the turbine outlet when operating with low mass flows, the outlet duct was extended and a tapered duct had to be attached just before the domain outlet. By means of the well validated CFD results, three-dimensional flow effects were analyzed. Operating in high off-design conditions the outlet swirl and thus, the static pressure gradient was so high that the flow collapses and a reverse flow develops. This reverse flow reenters the rotor and mixes again with the main flow. On one hand this effect produces pressure losses and locally negative torque at the hub. However, on the other hand the reentering flow increases the mass flow locally and restricts the flow section close to the hub. Hence, blade loading and local torque production are increased close to the shroud. Although a clear change in the stage loading vs. flow coefficient plot was noticed as soon as the reverse flow occurs, no clear impact on the efficiency can be seen. Further analysis of tip leakage flow over a wide range showed the importance of friction driven flow and incidence induced leakage flow in off-design condition. In general, greater tip leakage losses were observed as further the turbine operates away from the design point. Furthermore, it was stated that a commonly used correlation for the characterization of tip leakage flow is not capable of reproducing either qualitative trends nor quantities when the tip gap height or the operating point is varied. Finally, the observed effects were modeled in one-dimensional form. A tip leakage loss model that is capable of reproducing the found trends and shows good extrapolation capability was developed. Results were validated using three-dimensional CFD data. As a result, it was possible to develop a novel method for tip leakage flow characterization, which can model tip leakage flow momentum and velocities for varying tip gap heights in design and off-design conditions. Following, a complete one-dimensional extrapolation model for adiabatic turbine efficiency maps was developed. Taking advantage of the newly developed tip leakage model and other findings from the CFD campaign, good extrapolation quality in terms of speed, blade-to-jet speed ratio and VGT opening was achieved. High accuracy of the results was stated by the comparison with the initially measured wide range data. / Inhestern, LB. (2019). Measurement, Simulation, and 1D-Modeling of Turbocharger Radial Turbines at Design and Extreme Off-Design Conditions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119989 / TESIS

[ES] Este trabajo está centrado en analizar el flujo y la eficiencia de turbinas de doble entrada, así como desarrollar modelos de capacidad de flujo y eficiencia que sean capaces de predecir su comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Dichas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, por lo que deben ser evaluadas adecuadamente. Se ha realizado un análisis profundo de los patrones de flujo y las principales fuentes de pérdidas mediante simulaciones CFD y campañas experimentales, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes en distintas condiciones de admisión. El análisis CFD y la campaña experimental con la técnica LDA han mostrado que el flujo de cada rama no se mezcla completamente con el otro dentro del rotor. Esto significa que las turbinas de doble entrada podrían estudiarse como dos turbinas de entrada simple trabajando en paralelo en modelos unidimensionales. Además, las áreas de entrada y salida del rotor correspondientes a cada rama dependen linealmente de la relación de gastos másicos (MFR). Los principales fenómenos de pérdidas han sido identificados. Fenómenos ya conocidos como las pérdidas por fricción en las volutas, interespacio y rotor, las pérdidas por incidencia o las pérdidas en punta de álabe se han cuantificado. Sin embargo, se han encontrado fuentes de pérdidas adicionales que ayudan a explicar el comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Se ha encontrado una expansión brusca aguas abajo de la unión de las volutas que produce pérdidas en la rama con más presión. Aunque el flujo de cada rama no se mezcla completamente dentro del rotor, hay un intercambio de momento entre ramas producido en la región de contacto entre ramas. La rama con mayor momento transmite parte de este a la rama con menor momento. Este fenómeno produce pérdidas en la rama con mayor momento en el interespacio y el rotor, pero también produce ganancias en la rama con menor momento. Este intercambio de momento es un fenómeno esencial para entender correctamente el funcionamiento de las turbinas de doble entrada en condiciones de admisión desiguales. Finalmente, como la mezcla completa de los flujos de cada rama se produce en la región de salida, es aquí donde se computan las pérdidas por mezcla. Toda esta información se ha usado para desarrollar modelos de área efectiva y eficiencia. El modelo de área efectiva se utiliza para extrapolar en el mapa de capacidad flujo. Este modelo se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros MFR se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error menor del 3% en cada rama cuando solo se proporcionan al modelo los mapas de condiciones de admisión completa y parcial. El modelo de eficiencia se utiliza para extrapolar en el mapa de eficiencia. Este modelo también se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros valores de MFR también se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error combinado de las dos ramas menor del 7%. Además, las predicciones que ofrece se han comparado con modelos empíricos y comerciales, obteniendo predicciones más precisas en condiciones de admisión desiguales. Como estas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, el comportamiento estará mejor predicho la mayor parte del tiempo de operación. Esta mejora en las predicciones de las prestaciones puede ayudar a trabajar en condiciones de operación óptimas, lo que puede significar una eficiencia del motor de combustión interna mayor y su correspondiente reducción en consumo de combustible y emisión de gases contaminantes. Adicionalmente, otra turbina de doble entrada con una geometría distinta se ha analizado, encontrado un comportamiento muy similar. Los modelos desarrollados se han aplicado a esta geometría con buenos resultados, corroborando que dichos modelos proporcionan una descripción física razonable del comportamiento de las turbinas de doble entrada bajo condiciones de admisión desiguales. / [CA] El present treball està centrat en analitzar el flux i l'eficiència de turbines de doble entrada, així com desenvolupar models de capacitat de flux i eficiència que siguen capaços de predir el seu comportament en condicions d'admissió desiguals. Aquestes condicions són les més comunes en funcionament real, per la qual cosa s'han d'avaluar adequadament. S'ha realitzat una anàlisi profunda dels patrons de flux i de les principals fonts de pèrdues mitjançant simulacions CFD i campanyes experimentals, identificant i quantificant els fenòmens més importants en distintes condicions d'admissió. L'ànalisi CFD i la campanya experimental amb la tècnica LDA han mostrat que el flux de cada rama no es mescla completament amb l'altre dins del rotor. Açò significa que les turbines de doble entrada podrien estudiar-se com dues turbines d'entrada simple treballant en paral·lel en models unidimensionals. A més, les àrees d'entrada i eixida del rotor corresponents a cada rama depenen linealment de la relació de gastos màssics (MFR). Els principals fenòmens de pèrdues han estat identificats. Fenòmens ja coneguts com les pèrdues per fricció en les volutes, interespai i rotor, les pèrdues per incidència o les pèrdues en punta de pala s'han quantificat. Tanmateix, s'han trobat fonts de pèrdues addicionals que ajuden a explicar el comportament en condicions d'admissió desiguals. S'ha trobat una expansió brusca aigües avall de la unió de les volutes que produeixen pèrdues en la rama amb més pressió. Encara que el flux de cada rama no es mescla completament dins del rotor, hi ha un intercanvi de moment entre rames produit en la regió de contacte entre rames. La rama amb més moment transmet part d'aquest a la rama amb menor moment. Aquest fenomen produeix pèrdues en la rama amb major moment en l'interespai i el rotor, però també produeix guanys en la rama amb menor moment. Aquest intercanvi de moment entre rames es un fenomen essencial per a entendre correctament el funcionament de les turbines radials de doble entrada en condicions d'admissió desiguals. Finalment, com la mescla completa dels fluxos de cada rama es produeix en la regió d'eixida, és en aquesta regió on es computen les pèrdues per mescla. Tota aquesta informació s'ha utilitzat per desenvolupar models d'àrea efectiva i eficiencia. El model d'àrea efectiva s'utilitza per a extrapolar en el mapa de capacitat de flux. Aquest model s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres condicions d'admissió s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error menor del 3% en cada rama quan sols es proporciona al model els mapes de condicions d'admissió completa i parcial. El model d'eficiència s'utilitza per a extrapolar en el mapa d'eficiència. Aquest model també s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres valors d'MFR també s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error combinat de les dues rames menor del 7%. A més, les prediccions que ofereixen els nous models basats en pèrdues han estat comparades amb models empírics i comercials, aconseguint prediccions més precises en condicions d'admissió desiguals. Com les condicions d'admissió desiguals són les més comunes en funcionament real, el comportament de les turbines de doble entrada estaran millor predites la major part del temps d'operació. Aquesta millora en les prediccions de les prestacions pot ajudar a treballar en condicions d'operació òptimes la major part del temps, el qual pot significar una major eficiència del motor de combustió interna i la seua corresponent reducció en consum de combustible i emissió de gasos contaminants. Addicionalment, una altra turbina de doble entrada amb una geometria considerablement diferent s'ha analitzat, trobant un comportament molt similar. Els models proporcionen una descripció física raonable del comportament de les turbines de doble entrada baix condicions d'admissió desiguals. / [EN] The current work focuses on the flow capacity and efficiency analysis and modelling of twin-entry radial turbines under unequal admission conditions. These conditions are the most common in real operation, so they must be properly assessed. A thorough analysis of the flow patterns within twin-entry turbines and the main sources of losses have been carried out by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental campaigns, identifying and quantifying the most important phenomena under different admission conditions. The CFD analysis and the laser Doppler anemometry experimental campaign have shown that the flow from each branch does not fully mix within the rotor. It means that twin-entry turbines could be studied as two single-entry turbines working in parallel in one-dimensional models. Moreover, the rotor inlet and outlet areas corresponding to each branch depend linearly on the mass flow ratio (MFR). The main phenomena producing losses in twin-entry turbines have been identified. Well-known sources of losses have been quantified, such as passage losses in volutes, interspace and rotor, incidence losses or tip leakage losses. However, additional sources of losses have been found that explain the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. There is a sudden expansion downstream of the junction of the volutes that produces losses in the branch with higher pressure. Although the flow from each branch does not fully mix within the rotor, there is a momentum exchange between branches produced in the contact region between branches. The branch with higher momentum transmits some of it to the branch with lower momentum. This phenomenon produces losses in the branch with higher momentum within the interspace and the rotor, but it also produces gains in the branch with lower momentum. This momentum exchange between branches is an essential phenomenon to properly understand the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. Finally, since the full mixing of both flows is produced in the outlet region, the mixing losses are only computed in the outlet region. The flow behaviour information extracted from the CFD simulations and experimental campaigns has been used to develop effective area and efficiency models. The effective area model is used to extrapolate the flow capacity map. The model has been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values has been proven, obtaining an error lower than 3% in each branch when only partial and full admission maps are provided to feed the model. The efficiency model is used to extrapolate the efficiency map. This model has also been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values is also reliable, obtaining a combined error between both branches lower than 7%. Moreover, the predictions of this loss-based efficiency model have been compared to empirical and commercial models, obtaining more accurate predictions under unequal admission conditions. Since unequal admission conditions are the most common in real operation, the performance of twin-entry turbines could be better predicted most of the time. This improvement in the performance prediction could help to work in optimum operational points most of the time, which could lead to higher internal combustion engine efficiency and a reduction in fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, a twin-entry turbine with a considerably different geometry has been analysed, finding the same flow behaviour. The models developed have been applied to this geometry, giving good results. These results corroborate that these models provide a reasonable physical description of the behaviour of the twin-entry turbines under unequal admission conditions. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract FPU17/02803 of the Programa de Formación de Profesorado Universitario of Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. / Medina Tomás, N. (2022). Flow Capacity and Efficiency Modelling of Twin-Entry Radial Turbines under Unequal Admission Conditions through CFD Analysis and Experiments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185820 / TESIS

Der stetig anwachsende Bedarf und die innovative Weiterentwicklung im Bereich der Großdieselmotoren als Antrieb für Schiffe und Generatoranlagen erfordert ebenfalls die Weiterentwicklung der Abgasturbolader. Hohe Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit ist nur durch moderne Fertigungsverfahren und einer optimalen Ausnutzung der eingesetzten, hochwertigen Werkstoffe zu erreichen. Dies gilt insbesondere für die integralen Radialturbinenräder in Abgasturboladern, die aufgrund der hohen Betriebsbelastungen einen zentralen Punkt bei der Auslegung darstellen. Lebensdauerbegrenzend ist die hochzyklische Ermüdung aufgrund Resonanzschwingungen an der Beschaufelung der Turbinenräder. Die vorliegende Arbeit soll die Auslegungsmethodik zur Berechnung und Beurteilung der zu erwartenden Schwingbeanspruchungen der Turbinenräder im Hinblick der realen Geometrie verbessern. Dazu wird ein einfaches Berechnungsmodell zur Identifizierung der kritischen Schaufelmoden und Bestimmung der Schwingbeanspruchungen im integralen Turbinenrad erarbeitet. Das Modell wird auf vorhandene Turbinenräder angewendet und aus den Ergebnissen werden Hinweise für eine systematische Beurteilung der Schaufelmoden, Knotendurchmesser und Schaufelgestaltung bezüglich der kritischen Schwingbeanspruchungen angegeben. Desweiteren wird der Einfluss der Verstimmung (engl. Mistuning) des Schwingverhaltens realer, integraler Turbinenräder ausführlich im Hinblick auf die Schwingbeanspruchungen untersucht. Die wesentlichen Ursachen für die Verstimmung sind die innerhalb der Fertigungstoleranzen auftretenden Geometrieabweichungen der Schaufeln. Dabei wird ein Überblick über die typischen Geometrie- und Frequenzabweichungen Radialturbinen gegeben und Auswirkungen auf das Schwingverhalten des Rades wie Lokalisierung der Schwingformen und Amplitudenüberhöhungen ermittelt und in einen systematischen Zusammenhang mit den geometrischen Ursachen, der Komplexität der Schaufelschwingformen und Knotendurchmesser gestellt. Es zeigt sich, dass unter gewissen Voraussetzungen bei Radialturbinen KD0 und KD1 Schwingformen weniger sensibel auf die Verstimmung reagieren. Hieraus können Hinweise für die Verbesserung des Auslegungsprozess abgeleitet werden. Die Kenntnis über das reale Schwingverhalten verstimmter Turbinenräder ermöglicht die korrekte Auswahl geeigneter Schaufeln zur Applikation von Dehnmessstreifen, wodurch eine sichere Beurteilung der Betriebsbeanspruchungen erst möglich wird.

Der stetig anwachsende Bedarf und die innovative Weiterentwicklung im Bereich der Großdieselmotoren als Antrieb für Schiffe und Generatoranlagen erfordert ebenfalls die Weiterentwicklung der Abgasturbolader. Hohe Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit ist nur durch moderne Fertigungsverfahren und einer optimalen Ausnutzung der eingesetzten, hochwertigen Werkstoffe zu erreichen. Dies gilt insbesondere für die integralen Radialturbinenräder in Abgasturboladern, die aufgrund der hohen Betriebsbelastungen einen zentralen Punkt bei der Auslegung darstellen. Lebensdauerbegrenzend ist die hochzyklische Ermüdung aufgrund Resonanzschwingungen an der Beschaufelung der Turbinenräder. Die vorliegende Arbeit soll die Auslegungsmethodik zur Berechnung und Beurteilung der zu erwartenden Schwingbeanspruchungen der Turbinenräder im Hinblick der realen Geometrie verbessern. Dazu wird ein einfaches Berechnungsmodell zur Identifizierung der kritischen Schaufelmoden und Bestimmung der Schwingbeanspruchungen im integralen Turbinenrad erarbeitet. Das Modell wird auf vorhandene Turbinenräder angewendet und aus den Ergebnissen werden Hinweise für eine systematische Beurteilung der Schaufelmoden, Knotendurchmesser und Schaufelgestaltung bezüglich der kritischen Schwingbeanspruchungen angegeben. Desweiteren wird der Einfluss der Verstimmung (engl. Mistuning) des Schwingverhaltens realer, integraler Turbinenräder ausführlich im Hinblick auf die Schwingbeanspruchungen untersucht. Die wesentlichen Ursachen für die Verstimmung sind die innerhalb der Fertigungstoleranzen auftretenden Geometrieabweichungen der Schaufeln. Dabei wird ein Überblick über die typischen Geometrie- und Frequenzabweichungen Radialturbinen gegeben und Auswirkungen auf das Schwingverhalten des Rades wie Lokalisierung der Schwingformen und Amplitudenüberhöhungen ermittelt und in einen systematischen Zusammenhang mit den geometrischen Ursachen, der Komplexität der Schaufelschwingformen und Knotendurchmesser gestellt. Es zeigt sich, dass unter gewissen Voraussetzungen bei Radialturbinen KD0 und KD1 Schwingformen weniger sensibel auf die Verstimmung reagieren. Hieraus können Hinweise für die Verbesserung des Auslegungsprozess abgeleitet werden. Die Kenntnis über das reale Schwingverhalten verstimmter Turbinenräder ermöglicht die korrekte Auswahl geeigneter Schaufeln zur Applikation von Dehnmessstreifen, wodurch eine sichere Beurteilung der Betriebsbeanspruchungen erst möglich wird.