Tato práce se zabývá problematikou aerodynamického zatížení statorových lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny a jeho následnou optimalizací. Metody výpočtového modelování tekutin jsou aplikovány s využitím komerčního softwaru ANSYS CFX. Výpočtový model celého turbínového stupně je použit pro analýzu aerodynamického zatížení statorových lopatek v několika polohách a pro různé operační podmínky. Provedená byla detailní analýza vlivu rozložení tlaku v turbínové skříni, úhlu natočení lopatky, jakož i vlivu distančních pinů na aerodynamické zatížení. Následně bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření aerodynamického momentu statorových lopatek s využitím testovacího zařízení s názvem Gas Stand. Toto zařízení spaluje zemní plyn a dokáže vytvořit velmi stabilní podmínky proudění při vysokých teplotách, což umožňuje vyloučit vliv pulzací plynu, vibrací motoru, jakož i vlivu řídící strategie motoru na měřenou veličinu. Výsledky experimentu jsou následně porovnány s vypočtenou hodnotou pomocí CFD modelu a je dosažená velmi dobrá shoda. Validovaný CFD model je následně zredukován s využitím podmínek cyklické symetrie na model jen jednoho segmentu statoru a rotoru. Umožňuje to výrazně zvýšit produktivitu simulací a prozkoumat několik návrhových parametrů statoru v celém rozsahu pohybu statorových lopatek. Provedená analýza citlivosti těchto parametrů položila výborný základ pro jejich následnou optimalizaci a ukázala významný potenciál několika z nich. Na základě analýzy požadavků na aerodynamické zatížení statorových lopatek byla následně vytvořena definice ideálního zatížení, která byla ustavena jako cíl pro jeho optimalizaci. Použitých bylo několik optimalizačních strategií s využitím metody analýzy působících silových vektorů a jejich výsledky byly následně zhodnoceny a porovnány z více aspektů. Výsledné optimalizované řešení bylo následně přepočteno pomocí modelu celého turbínového stupně, čímž se prokázali jeho výborné vlastnosti z hlediska aerodynamického zatížení a zvýšení účinnosti ve spodní části charakteristiky.

Methods of determining natural frequencies of the D76D88, B76D88, A86E93, C86G90, C86L90 and C125L89 turbine wheel designs for various environmental conditions were investigated by application of Finite Element Analysis and beam theory. Modelling and simulation methods were developed ; the first method composed of 15 finite element simulations ; the second composed of 15 finite element simulations and a set of experimental frequency survey results; the third composed of 5 simulations , an incorporated mathematical model and a set of experimental frequency survey results. Each of these methods was designed to allow prediction of resonant frequency changes across a range of exhaust gas temperature and shaft rotational speed. For the new modelling and simulation methods, an analysis template and a plotting tool were developed using Microsoft Excel and MATLAB software. A graph showing a frequency-temperature-speed variations and a Campbell Diagram that incorporates material stiffening and softening effects across a range of rotational speeds was designed, and applied to the D76D88, B76D88, A86E93, C86G90, C86L90 and C125L89 turbine wheel designs. New design methodologies for turbine wheels were formulated and validated, showing a good agreement with a range of data points from frequency survey, strain-gauge telemetry and laser tip-timing test results. The results from the new design method were compared with existing single compensation factor methodology, and showed a great improvement in accuracy of prediction of modal vibration. A new nomenclature for the mode shapes of a turbocharger’s blade was proposed, designed and demonstrated to allow direct identification of associated mode shape. It is concluded that Finite Element Analysis combined with the frequency survey is capable of predicting changes in turbine natural frequencies and, when incorporated into the existing turbine design methodology, resulted in a major improvement in the accuracy of the predictions of vibration frequency.

Tato práce se zabývá problematikou aerodynamického zatížení statorových lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny a jeho následnou optimalizací. Metody výpočtového modelování tekutin jsou aplikovány s využitím komerčního softwaru ANSYS CFX. Výpočtový model celého turbínového stupně je použit pro analýzu aerodynamického zatížení statorových lopatek v několika polohách a pro různé operační podmínky. Provedená byla detailní analýza vlivu rozložení tlaku v turbínové skříni, úhlu natočení lopatky, jakož i vlivu distančních pinů na aerodynamické zatížení. Následně bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření aerodynamického momentu statorových lopatek s využitím testovacího zařízení s názvem Gas Stand. Toto zařízení spaluje zemní plyn a dokáže vytvořit velmi stabilní podmínky proudění při vysokých teplotách, což umožňuje vyloučit vliv pulzací plynu, vibrací motoru, jakož i vlivu řídící strategie motoru na měřenou veličinu. Výsledky experimentu jsou následně porovnány s vypočtenou hodnotou pomocí CFD modelu a je dosažená velmi dobrá shoda. Validovaný CFD model je následně zredukován s využitím podmínek cyklické symetrie na model jen jednoho segmentu statoru a rotoru. Umožňuje to výrazně zvýšit produktivitu simulací a prozkoumat několik návrhových parametrů statoru v celém rozsahu pohybu statorových lopatek. Provedená analýza citlivosti těchto parametrů položila výborný základ pro jejich následnou optimalizaci a ukázala významný potenciál několika z nich. Na základě analýzy požadavků na aerodynamické zatížení statorových lopatek byla následně vytvořena definice ideálního zatížení, která byla ustavena jako cíl pro jeho optimalizaci. Použitých bylo několik optimalizačních strategií s využitím metody analýzy působících silových vektorů a jejich výsledky byly následně zhodnoceny a porovnány z více aspektů. Výsledné optimalizované řešení bylo následně přepočteno pomocí modelu celého turbínového stupně, čímž se prokázali jeho výborné vlastnosti z hlediska aerodynamického zatížení a zvýšení účinnosti ve spodní části charakteristiky.

Dans cette thèse, des méthodes de caractérisation acoustique passive et active de systèmes acoustiques à deux ports sont présentées, basées sur une décomposition d’ondes planes en entrée et sortie. Cette décomposition est réalisée par la méthode du beamforming. Ces méthodes mises en place et validées sur des géométries simples, sont ensuite employées pour caractériser l’étage compresseur d’un turbocompresseur de suralimentation automobile. La caractérisation acoustique active se fait par la mesure de la puissance et de l’intensité acoustique dans les conduits du compresseur, ceci pour des points de fonctionnement spécifiques, des cartographies compresseur complètes sont également élaborées. Les essais ont été menés sur banc turbo, banc moteur et sur véhicule complet. La caractérisation acoustique passive est abordée par le calcul de matrices du compresseur (matrice de transfert, matrice d’impédance et matrice de diffusion). Le calcul de la perte par transmission acoustique est déduit de ces matrices. Des essais ont été réalisés et comparés à des simulations éléments finis 3D sur un turbocompresseur statique comme sur un turbocompresseur opérationnel. / In this thesis, methodologies to perform the acoustic passive and active characterization of two port systems are presented. These methods are based on plane wave decomposition made at the inlet and at the outlet of the system. This decomposition is made according beamforming technique. Once these methods were validated on simple geometries, they were then applied to the compressor stage of an automotive turbocharger. The active acoustic characterization is made by the measurement of the acoustic power and acoustic intensity in the compressor ducts on given working points, but also on complete compressor maps. This was performed on turbocharger benches, engine benches and a complete vehicle. The passive acoustic characterization is made by the calculation of characteristic matrices (transfer matrix, impedance matrix and scattering matrix). These matrices are then used to compute the acoustic transmission loss. Experiments were performed on a static turbocharger and compared to 3D finite elements simulations, as well as experiments on an operating turbocharger.

Les turbocompresseurs sont utilisés pour améliorer les performances du moteur thermique par suralimentation. Cette méthode efficace présente cependant des inconvénients majeurs pour des points de fonctionnement à faible débit. En effet, lorsque le débit en entrée du turbocompresseur devient trop faible, un phénomène de pompage apparaît, réduisant la plage d'utilisation du moteur, pouvant endommager le turbocompresseur et le moteur par un fonctionnement instable.Dans cette thèse une configuration expérimentale avec un dispositif à géométrie variable placé en amont du compresseur a été étudiée. Ce système, appelé « dispositif de prérotation » permet de modifier les conditions aérodynamiques en amont du compresseur et en particulier dans les zones de fonctionnement proches du pompage.Cette étude comporte deux grands volets : une partie expérimentale réalisée sur un banc d’essais typique de turbocompresseurs d’automobile équipé d'une vanne de prérotation et une étude numérique permettant d’évaluer les capacités de l’utilisation d’un code du commerce à restituer les modifications des performances expérimentales observées sur l’ensemble. / Automotive turbochargers are used to increase engine performances. This efficient method, however, has major disadvantages for low flow operating points. Indeed, when the input flow of the turbocharger becomes too low, a surge phenomenon appears, reducing the range of use of the engine, which can damage the turbocharger and the engine by unstable operation.In this thesis an experimental configuration with a variable geometry device placed upstream of the compressor has been studied. This system, called "pre-whirl device" makes it possible to modify the aerodynamic conditions upstream of the compressor and in particular in the operating zones close to surge.This study has two main components: an experimental part carried out on a typical test bench of automobile turbochargers equipped with a pre-whirl valve and a numerical study making it possible to evaluate the capacities of the use of a code of the trade to render the modifications of the experimental performances observed on the whole. / Os turbocompressores são utilizados para melhorar o desempenho dos motores térmicos por sobrealimentação. Este método é eficiente, no entanto, tem grandes desvantagens quando o turbocompressor opera em baixa vazão mássica. Quando a vazão de massa na entrada do turbocompressor fica muito baixa, um fenômeno de sobrecarga (surge) aparece, reduzindo a faixa de uso do motor, o que pode danificar o turbocompressor e o motor por meio de operação instável.Nesta tese, uma configuração experimental com um dispositivo de geometria variável colocado na entrada do compressor foi estudada. Este sistema, chamado “dispositivo de pré-rotação” permite modificar as condições aerodinâmicas a montante do compressor e em particular nas zonas de funcionamento próximas da sobrecarga.Este estudo tem dois componentes principais: uma parte experimental realizada em uma bancada de testes típica de turbocompressores automotivos equipada com uma válvula de pré-rotação e um estudo numérico que permite avaliar as capacidades do uso de um código de comércio para realizar as modificações dos desempenhos experimentais observados no todo.

Moisture recovery is important in the operation of many fuel cell systems, especially proton exchange membrane (PEM) fuel cells. The exhaust of a PEM fuel cell is a moderate temperature, pressurized humid air stream. A system that recovers liquid water condensate from the pressurized humid exhaust stream of a PEM fuel cell would markedly increase the effectiveness of such a system. The recovered water could be used to hydrate the fuel cell membrane, and it could supply a hydrocarbon reformer used for generating hydrogen. This project investigated and documented moisture recovery from the simulated humid exhaust stream of a 25 kW fuel cell with an improved axial flow separator. An axial flow centrifugal separator design was chosen as the best candidate due to its high efficiency and low pressure drop and a prototype was designed and constructed. The separator was then integrated into an experimental test system. First, the stream was simulated by heating compressed air and then humidifying it with superheated steam. Then, after expanding through the turbine section of an automotive turbocharger, the humid stream was passed through the moisture separator where liquid water condensate was removed from the flow. Results are presented for varying turbine inlet conditions at three separate separation lengths. It is shown that the separation efficiency for the improved design was 40% higher and the pressure drop was only 1/3 that of the conventional separator.

Dans les turbomachines conventionnelles, l’estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l’adiabaticité de l’écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l’influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l’hypothèse d’adiabaticité.Une étude préalable de l’état de l’art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l’évolution de l’indice de performance caractérisant le niveau d’énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l’hypothèse d’adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L’étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l’évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l’hypothèse d’adiabaticité de l’écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n’importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d’essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète. / In the conventional turbomachines, calculations are done assuming adiabatic flow. But, the negative influence of external and internal heat exchange on the performance of small turbomachines at low loads and low speeds have been shown by many studies in the literature. Then, this assumption is no longer admissible. The main objective of this thesis is to help remove the assumption of adiabaticity.A study of the state of art has identified the different kinds of heat transfer and defined the limits of our investigations.Afterwards, a generalized exergy analysis whose main goal is to take into account the two principles of thermodynamics has been made and the variation of exergy performance versus heat transfer has been studied.The maps currently used are made with the assumption of adiabaticity. The laws of similarity in turbomachines working with compressible fluid studied propose new dimensionless coordinates that can be used in any operating condition (adiabatic or not).Finally, we present a measurement protocol and a numerical model for calculating heat transfer in a turbocharger.Some results from our work indicate that the performance of thermal turbomachinery announced regardless of thermal heat exchanges are found to be overestimated.The new laws of similarity proposed generalize the Rateau’s theorem to compressible fluid flow in any operating condition and can be used to calculate heat transfer from adiabatic test results. Supplementary information is still required for the complete prediction of performance and heat transfer.The numerical model for calculating heat transfer gives some results that are in agreement with those expected. But actual data from test bench are required for complete validation.

This thesis is motivated by the necessity to understand the flow structure of turbulent flows in bends encountered in many technical applications such as heat exchangers, nuclear reactors and internal combustion engines. Flows in bends are characterised by strong secondary motions in terms of counter-rotating vortices (Dean cells) set up by a centrifugal instability. Specifically the thesis deals with turbulent flows in 90° curved pipes of circular cross-section with and without an additional motion, swirling or pulsatile, superposed on the primary flow.  The aim of the present thesis is to study these complex flows in detail by using time-resolved stereoscopic particle image velocimetry to obtain the three-dimensional velocity field, with complementary hot-wire anemometry and laser Doppler velocimetry measurements. In order to analyse the vortical flow field proper orthogonal decomposition (POD) is used. The so called ``swirl-switching'' is identified and it is shown that the vortices instantaneously, ``rock'' between three states, viz. a pair of symmetric vortices or a dominant clockwise or counter-clockwise Dean cell. The most energetic mode exhibits a single cell spanning the whole cross-section and ``rolling'' (counter-)clockwise in time. However, when a honeycomb is mounted at the inlet of the bend, the Dean vortices break down and there is strong indication that the ``swirl-switching'' is hindered. When a swirling motion is superimposed on the incoming flow, the Dean vortices show a tendency to merge into a single cell with increasing swirl intensity. POD analysis show vortices which closely resemble the Dean cells, indicating that these structures co-exist with the swirling motion. In highly pulsating turbulent flow at the exit of a curved pipe, the vortical pattern is diminished or even eliminated during the acceleration phase and then re-established during the deceleration. In order to investigate the effect of pulsations and curvature on the performance of a turbocharger turbine, highly pulsating turbulent flow through a sharp bend is fed into the turbine. Time-resolved pressure and mass-flow rate measurements show that the hysteresis loop in the pressure-ratio-mass-flow plane, may differ significantly between straight and curved inlets, however the mean operating point is only slightly affected. / <p>QC 20140523</p>

Les centaines de millions de véhicules du parc automobile mondial nous rappellent à quel point notre société dépend du moteur à combustion interne. Malgré des progrès significatifs en termes d’émissions polluantes et de consommation, les moteurs à essence et diesel demeurent l’une des principales sources de pollution de l’air des centres urbains modernes. Ce constat motive les autorités à renforcer les normes anti-pollution, qui tendent à complexifier la définition technique des moteurs. En particulier, un nombre croissant d’actionneurs fait aujourd’hui, du contrôle de la chaîne d’air, un challenge majeur. Dans un marché de plus en plus mondialisé et où le temps de développement de moteurs se doit d’être de plus en plus court, ces travaux entendent proposer une solution aux problèmes liés à cette augmentation de la complexité. La proposition repose sur une approche en trois étapes et combine : modélisation physique du moteur, contrôle prédictif non linéaire et programmation multiparamétrique. Le cas du contrôle de la chaîne d’air d’un moteur à essence suralimenté sert de fil conducteur au document. Dans son ensemble, les développements présentés ici fournissent une approche quasi-systématique pour la synthèse du contrôle de la chaîne des moteurs à essence suralimentés. Intuitivement, le raisonnement doit pouvoir être étendu à d’autres boucles de contrôle et au cas des moteurs diesel. / The hundreds of millions of passenger cars and other vehicles on our roads emphasize our society’s reliance on internal combustion engines. Despite striking progress in terms of pollutant emissions and fuel consumption, gasoline and diesel engines remain one of the most important sources of air pollution in modern urban areas. This leads the authorities to lay down increasingly drastic pollutant emission standards, which entail ever more complex engine technical definitions. In particular, due to an increasing number of actuators in the past few years, the air path of internal combustion engines represents one of the biggest challenges of engine control design. The present thesis addresses this issue of increasing engine complexity with respect to the continuous reduction in development time, dictated by a more and more competitive globalized market. The proposal consists in a three-step approach that combines physics-based engine modeling, nonlinear model predictive control and multi-parametric nonlinear programming. The latter leads to an explicit piecewise affine feedback control law, compatible with a real-time implementation. The proposed approach is applied to the particular case of the control of the air path of a turbocharged gasoline engine. Overall, the developments presented in this thesis provide a quasi-systematic approach for the synthesis of the control of the air path of turbocharged gasoline engines. Intuitively, this approach can be extended to other control loops in both gasoline and diesel engines.

This diploma thesis deals about possibilites of using stiffness analysis in Multi body system ADAMS with Flexible bodies and its correlation with finite element method in ANSYS. There is also comparison between Multi body analysis and optical measurement test. In the beginning there is also dealing about turbochargers and ways of their regulation.