Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Sunanda Dissanayake / Lane-departure crashes are the most predominant crash type in Kansas which causes very high number of motor vehicle fatalities. Therefore, the Kansas Department of Transportation (KDOT) has implemented several different types of countermeasures to reduce the number of motor vehicle fatalities associated with lane-departure crashes. This research was conducted to estimate the safety effectiveness of commonly used lane-departure countermeasures in Kansas on all crashes and lane-departure crashes using Crash Modification Factors (CMFs). Paved shoulders, rumble strips, safety edge treatments and median cable barriers were identified as the commonly used lane-departure countermeasures on both tangent and curved road segments while chevrons and post-mounted delineators were identified as the most commonly used lane-departure countermeasures on curved road segments. This research proposes a state-of-art method of estimating CMFs using cross-sectional data for chevrons and post-mounted delineators. Furthermore, another state-of-art method is proposed in this research to estimate CMFs for safety edge treatments using before-and-after data. Considering the difficulties of finding the exact date of implementation of each countermeasure, both cross-sectional and before-and-after studies were employed to estimate the CMFs. Cross-sectional and case-control methods, which are the two major methods in cross-sectional studies were employed to estimate CMFs for paved shoulders, rumble strips, and median cable barriers. The conventional cross-sectional and case-control methods were modified when estimating CMFs for chevrons and post-mounted delineators by incorporating environmental and human behaviors in addition to geometric and traffic-related explanatory variables. The proposed method is novel and has not been used in the previous cross-sectional models available in the literature. Generalized linear regression models assuming negative binomial error structure were used to develop models for cross-sectional method to estimate CMFs while logistic regression models were used to estimate CMFs using case-control method. Results showed that incorporating environmental and human-related variables into cross-sectional models provide better model fit than in conventional cross-sectional models. To validate the developed models for cross-sectional method, mean of the residuals and the Root Mean Square Error (RMSE) were used. For the case-control method, Receiver Operational Characteristic (ROC) was used to evaluate the predictive power of models for a binary outcome using classification tables. However, it was seen that the case-control method is not suitable for estimating CMFs for all crashes since the range of the crash frequency is wide in each road segment. A regression-based method of estimating CMFs using before-and-after data was proposed to estimate CMFs for safety edge treatments. This method allows researchers to identify the safety effectiveness of an individual CMFs on road segments where multiple treatments have been applied at the same time. Since this method uses road geometric and traffic-related characteristics in addition to countermeasure information as the explanatory variables, the model itself would be the Safety Performance Function (SPF). Therefore, developing new SPF is not necessary. Finally, the CMFs were estimated using before-and-after Empirical Bayes method to validate the results from the regression-based method. The results of this study can be used as a decision-making tool when implementing lane-departure countermeasures on similar roadways in Kansas. Even though there are readily available CMFs from the national level studies, having more localized CMFs will be beneficial due to differences in traffic-related and geometric characteristics on different roadways.

[ES] En los últimos años, el interés por el desarrollo de motores de aviación limpios y eficientes se ha incrementado debido al impacto perjudicial sobre la salud y el medio ambiente ocasionado por los sistemas de combustión convencionales. En este contexto, la comunidad científica ha ido centrando cada vez más sus esfuerzos en el estudio de la combustión turbulenta y la generación de emisiones contaminantes como las partículas de hollín. Con los recientes avances en lo que respecta a potencia de cálculo, las simulaciones de alta fidelidad emergen como una valiosa alternativa para reproducir y analizar estos fenómenos. En concreto, las simulaciones basadas en el modelado de la turbulencia LES son consideradas como una de las herramientas numéricas más prometedoras a la hora de profundizar en la comprensión sobre los complejos procesos dinámicos que caracterizan el flujo reactivo turbulento y predecir emisiones de hollín en aplicaciones aeronáuticas. En el presente trabajo, se estudia y analiza la combustión turbulenta y producción de hollín en aplicaciones de turbina de gas mediante LES de alta fidelidad. El modelado de la combustión se aborda a través de un método flexible de química tabulada basado en el concepto flamelet, el cual es capaz de representar fenómenos químicos complejos con un coste computacional asequible. Además, se emplea una aproximación Euleriana-Lagrangiana para la descripción de la fase gaseosa y las gotas, de forma que se represente correctamente el flujo reactivo multifásico. Para la predicción de hollín en simulaciones computacionalmente eficientes, se emplea un novedoso enfoque de modelado basada en el método seccional y acoplada al modelo de combustión de química tabulada. Esta estrategia de modelado numérica es utilizada en este trabajo para analizar el proceso de combustión y evaluar sus capacidades para predecir hollín y las características de la llama en quemadores de turbina de gas representativos. En primer lugar, se estudia la combustión de flujo bifásico en una llama atmosférica sin torbellinador con inyección líquida de combustible. Este quemador presenta una estructura doble del frente reactivo y las simulaciones numéricas son capaces de capturar adecuadamente los fenómenos de extinción local que tienen lugar en la zona interna de la llama debido a la interacción de las gotas y la turbulencia con el frente reactivo. Posteriormente, se investiga la combustión y producción de hollín en un quemador presurizado con torbellinador que incluye aire secundario de dilución en el interior de la cámara de combustión. La validación del flujo reactivo y hollín se lleva a cabo tanto en la configuración del quemador con aire secundario como sin el mismo, mostrando unas excelentes capacidades predictivas en ambos casos. La presente estrategia de modelado reproduce de forma precisa el complejo patrón de flujo, la estructura de la llama y la dinámica de generación de hollín, además de que es capaz de proporcionar diferentes distribuciones de tamaño de partícula dependiendo de las variaciones en los procesos de formación y oxidación del hollín. En resumen, los diferentes casos prácticos estudiados permiten consolidar y validar la metodología computacional seguida en la presente tesis. La estrategia de modelado basada en química tabulada propuesta demuestra ser lo suficientemente válida y adecuada para reproducir los complejos fenómenos de la combustión y la formación de hollín, en vista de la consistencia del análisis, las precisas predicciones y la concordancia satisfactoria con las medidas experimentales. / [CA] En els últims anys, l'interés pel desenvolupament de motors d'aviació nets i eficients s'ha incrementat a causa de l'impacte perjudicial sobre la salut i el medi ambient ocasionat pels sistemes de combustió convencionals. En aquest context, la comunitat científica ha anat centrant cada vegada més els seus esforços en l'estudi de la combustió turbulenta i la generació d'emissions contaminants com les partícules de sutge. Amb els recents avanços pel que fa a potència de càlcul, les simulacions d'alta fidelitat emergeixen com una valuosa alternativa per a reproduir i analitzar aquests fenòmens. En concret, les simulacions basades en el modelatge de la turbulència LES són considerades com una de les eines numèriques més prometedores a l'hora d'aprofundir en la comprensió sobre els complexos processos dinàmics que caracteritzen el flux reactiu turbulent i predir emissions de sutge en aplicacions aeronàutiques. En el present treball, s'estudia i analitza la combustió turbulenta i la producció de sutge en aplicacions de turbina de gas mitjançant LES d'alta fidelitat. El modelatge de la combustió s'aborda a través d'un mètode flexible de química tabulada basat en el concepte flamelet, el qual és capaç de representar fenòmens químics complexos amb un cost computacional assequible. A més, s'empra una aproximació Euleriana-Lagrangiana per a la descripció de la fase gasosa i les gotes, de manera que es represente correctament el flux reactiu multifàsic. Per a la predicció de sutge en simulacions computacionalment eficients, s'empra un nou plantejament de modelatge basat en el mètode seccional i acoblat al model de combustió de química tabulada. Aquesta estratègia de modelatge numèrica és utilitzada en aquest treball per a analitzar el procés de combustió en cremadors de turbina de gas representatius, i avaluar les seues capacitats per a predir sutge i les característiques de la flama. En primer lloc, s'estudia la combustió de flux bifàsic en una flama atmosfèrica sense remolinador amb injecció líquida de combustible. Aquest cremador presenta una estructura doble del front reactiu i les simulacions numèriques són capaces de capturar adequadament els fenòmens d'extinció local que tenen lloc en la zona interna de la flama a causa de la interacció de les gotes i la turbulència amb el front reactiu. Posteriorment, s'investiga la combustió i producció de sutge en un cremador pressuritzat amb remolinador que inclou aire secundari de dilució a l'interior de la cambra de combustió. La validació del flux reactiu i sutge es duu a terme tant en la configuració del cremador amb aire secundari com sense aquest, mostrant unes estupendes capacitats predictives en tots dos casos. La present estratègia de modelatge reprodueix de manera precisa el complex patró de flux, l'estructura de la flama i la dinàmica de generació de sutge, a més de que és capaç de proporcionar diferents distribucions de grandària de partícula depenent de les variacions en els processos de formació i oxidació del sutge. En resum, els diferents casos pràctics estudiats permeten consolidar i validar la metodologia computacional seguida en la present tesi. L'estratègia de modelatge basada en química tabulada proposada demostra ser prou vàlida i adequada per a reproduir els complexos fenòmens de la combustió i la formació de sutge, en vista de la consistència de l'anàlisi, les precises prediccions i la concordança satisfactòria amb les mesures experimentals. / [EN] In recent years, interest in the development of efficient and clean aviation powerplants has increased due to the detrimental impact on health and the environment caused by conventional combustion systems. In this context, the research community has increasingly focused its efforts on the study of turbulent combustion and the generation of pollutant emissions such as soot particulates. With recent advances in computational power, high-fidelity simulations emerge as a valuable alternative to reproduce and analyze these phenomena. Specifically, Large Eddy Simulations (LES) are considered as one of the most promising numerical tools to provide further insight into the complex dynamic processes that characterize reactive turbulent flows and predict soot emissions in aeronautical applications. In the present work, turbulent combustion and soot production is studied and analyzed in gas turbine engine applications by means of high-fidelity LES. Combustion modelling is addressed by a flexible tabulated chemistry method based on the flamelet concept, which is able to represent complex chemical phenomena with an affordable computational cost. In addition, an Eulerian- Lagrangian description is employed for the gas phase and droplets in order to correctly represent the multiphase flow in spray flames. A recently developed approach based on the sectional method and coupled to the tabulated chemistry framework is considered for soot prediction in computationally efficient simulations. This numerical modelling framework is used in this work to analyze the combustion process and evaluate its capabilities to predict soot and flame characteristics in representative gas turbine burners. First, an atmospheric non-swirled spray flame is studied in terms of two-phase flow combustion. This burner shows a double reaction front structure and local extinction occurs in the inner layer due to both droplet-flame and turbulence-flame interactions, which is properly characterized by LES. Subsequently, combustion and soot production is investigated in a pressurized swirled model combustor which includes secondary dilution jets inside the combustion chamber. The assessment of the reacting flow field and soot is addressed for burner configurations with and without secondary air, showing excellent predictive capabilities in both cases. The present modelling approach accurately reproduce the complex swirled flow field, flame structure and soot dynamics and is able to provide different particle size distributions depending on the variations of the soot formation and oxidation processes. In summary, the different practical cases studied allow to consolidate and validate the computational methodology followed in the present thesis. The proposed tabulated modelling strategy is sufficiently valid and suitable for reproducing complex combustion and soot formation phenomena, in view of the consistency of the analysis, the accurate predictions and the satisfactory agreement with the experimental measurements. / El desarrollo de la presente tesis ha sido posible gracias a una ayuda para la Formación de Profesorado Universitario (FPU 18/03065) perteneciente al Subprograma Estatal de Formación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España. Además, el trabajo desarrollado está enmarcado en el proyecto ESTiMatE (Emissions SooT ModEl), que ha sido financiado por el consorcio Clean Sky 2 bajo el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo No. 821418). Las actividades de simulación numérica han sido posibles gracias a la Red Española de Supercomputación y al Centro de Supercomputación de Barcelona por los recursos computacionales proporcionados en MareNostrum, además del grupo PRACE por conceder el acceso a HAWK (GCS, HLRS, Alemania) a través del proyecto SootAero. / Olmeda Ramiro, I. (2023). Assessment of Detailed Combustion and Soot Models for High-Fidelity Aero-Engine Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202284

Les écoulements diphasiques jouent un rôle prépondérant dans les moteurs-fusées à ergols liquides cryogéniques, équipant par exemple les lanceurs de la famille Ariane. L'étude expérimentale de tels engins propulsifs étant complexe et onéreuse, disposer d'outils numériques à même de simuler fidèlement leur fonctionnement se révèle être un objectif aussi important qu'ambitieux. La difficulté majeure réside dans le caractère fortement multi-échelles du problème, si bien qu’aucune approche numérique existante n'est capable à elle seule de décrire parfaitement l'ensemble des échelles liquides. Partant de ce constat, les travaux présentés dans cette thèse visent à mettre en place une stratégie de couplage entre des modèles bien adaptés aux différentes topologies d'écoulement diphasique, et ce dans le cadre de la plateforme logicielle multi-physique CEDRE développée par l'ONERA. La démarche adoptée consiste précisément à coupler un modèle à interface diffuse de type ``4 équations'' pour les zones à phases séparées, et un modèle cinétique eulérien pour la phase dispersée, rendant ainsi possible la description de l’atomisation primaire. Par ailleurs, les conditions sévères qui règnent dans les moteurs cryotechniques, où de forts gradients de température, vitesse et densité sont rencontrés, mettent à l'épreuve la robustesse des méthodes numériques. Une nouvelle méthode MUSCL multipente pour maillages non structurés généraux a ainsi été développée, permettant d’améliorer la robustesse et la précision des schémas de discrétisation spatiale. L’ensemble de la stratégie de couplage est finalement appliquée à la simulation du banc Mascotte de l'ONERA pour la combustion cryotechnique. / Two-phase flows play a significant role for the proper functioning of cryogenic liquid-propellant rocketengines, such as those that equip the launchers of the Ariane family. Since the experimental investigationof such propulsion devices is complex and expensive, developing numerical tools able to accuratelysimulate their functioning, is a crucial but nonetheless ambitious objective. The major difficulty is due tothe multiscale nature of the problem, as a result of which there is currently no numerical approach ableto perfectly describe all the liquid scales on its own. Based on this observation the work presented in thisthesis aims at setting up a coupling strategy between models well-adapted to each two-phase flowtopology, in the framework of the ONERA’s multiphysics CEDRE software. The approach adoptedprecisely consists in coupling a 4-equation diffuse interface model for the separated phases and aeulerian kinetic model for the dispersed phase, thus making it possible to describe primary atomization.Besides, the harsh conditions within cryogenic rocket engines, where large temperature, velocity anddensity gradients are encountered, severely challenge the robustness of numerical methods. A newmultislope MUSCL method for general unstructured meshes is thus developed in order to improve therobustness and accuracy of space discretization schemes. The whole coupling strategy is finally appliedto the numerical simulation of the ONERA’s Mascotte test bench for cryogenic combustion research.