Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif. / This thesis consists in setting up an external fluid-thermal-structural coupling, based on a partitionned scheme, between the research codes CEDRE (fluid mechanics, finite volumes) and Z-set (independent solvers for structural mechanics and heat transfer through the solid). The numerical results are compared with experimental data, to study a complex problem related to the aerospace certification process: the flame-wall interaction. This phenomenon is is driven by the heat flux generated by the flame close to the wall. Because of the disparity of thermal characteristic times between the fluid and the solid, the aero-thermal part of the coupling is simplified by considering the fluid as a sequence of steady states. The heating of the metallic plate causes its deformation (the material has a viscoplastic behavior). The displacement of the fluid-structure interface is propagated through the fluid mesh. Based on similitudes between impinging reacting jets (flames) and non-reacting jets, coupled computations are performed in 2D and 3D configurations with an equivalent non-reacting hot jet.

二体衝突近似法を、粒子－物質相互作用に関する様々な現象に応用した。特に二体衝突近似法と動的モンテカルロ法の接続によるBCA-kMCハイブリッドシミュレーションにより、従来の二体衝突近似法と拡散方程式を合わせた手法が抱える問題を克服することで、材料内での不純物拡散挙動をより詳細に解析することに成功した。本論文は将来的な二体衝突近似法の幅広い分野への応用の足がかりになることが期待される。 / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

[ES] A medida que aumenta la conciencia climática y se buscan reducir las emisiones globales, se están realizando esfuerzos para producir tecnologías que permitan desarrollar motores más limpios y amigables con el medio ambiente. Los sistemas GDI (inyección directa de gasolina) tienen el potencial de cumplir con los cada vez más estrictos estándares de emisiones y, al mismo tiempo, mejorar el consumo de combustible. El espacio limitado dentro de la cámara de combustión hace que el impacto del chorro con la pared sea un fenómeno común en los motores de inyección directa de gasolina. Este fenómeno tiene un efecto significativo en el desarrollo del chorro y su interacción con el aire en la cámara. En condiciones de arranque en frío, las bajas presiones y temperaturas en la cámara facilitan la deposición del combustible en la superficie del pistón, lo que conduce a un aumento considerable en la formación de hollín y en los hidrocarburos sin quemar. Esta tesis busca proporcionar información sobre las características más relevantes de la interacción chorro-pared en sistemas de inyección directa de gasolina en condiciones de arranque en frío y otras condiciones evaporativas. Para ello, se utilizó una pared plana ubicada a diferentes distancias de impacto y ángulos con respecto a la punta del inyector. Se empleó un inyector solenoide fabricado por Continental y el inyector "Spray G", utilizando iso-octano como combustible inyectado. El estudio se llevó a cabo en diversas instalaciones experimentales cubriendo varias técnicas ópticas. El estudio de la interacción chorro-pared se llevó a cabo utilizando tres campañas experimentales. En la primera, se utilizó una pared de cuarzo transparente para analizar las características macroscópicas del chorro al impactar la pared, observándola lateral y frontalmente con el uso de tres cámaras de alta velocidad gracias a los accesos ópticos de la instalación experimental. En la segunda, se empleó una pared termorregulada de acero inoxidable para medir el efecto que tienen las condiciones de operación y ambientales sobre la transferencia de calor entre la pared y el chorro durante el evento de inyección de combustible. Se observó que la penetración del chorro libre y el desarrollo del chorro sobre la pared son influenciados por la presión de inyección y el ángulo de inclinación de la pared. El ancho del chorro medido después del impacto fue afectado principalmente por la distancia entre el inyector y la pared y por el ángulo de la pared pero más aún por la distancia respecto al punto de impacto sobre la cual fue medida. La semi área de impacto es susceptible a cambios en el ángulo de la pared y la distancia inyector-pared teniendo un papel fundamental en el arrastre de aire entre el chorro y el ambiente. No se encontraron diferencias significativas entre las fases líquida y vapor tanto para la penetración de chorro libre como para el desarrollo del chorro sobre la pared a temperatura ambiente. Por el contrario, con la pared calentada, se obtuvieron diferencias entre la fase líquida y vapor, destacando la contribución de la evaporación de combustible causada por el incremento en la temperatura de la pared. Respecto a la pared instrumentada, tanto la temperatura del combustible como de la pared produjeron los picos más significativos en términos del flujo de calor superficial. Órdenes de magnitud similares respecto al flujo de calor superficial fueron encontrados entre las campañas experimentales de la pared instrumentada y la termografía infrarroja. La aparición del flash boiling en condiciones de menor contrapresión ambiental y mayor temperatura del combustible modificó la morfología del chorro en términos de anchura , lo que tuvo repercusiones significativas en el parámetro R (que depende de la penetración del chorro) y en el número de gotas de líquido presentes en el chorro, afectando tanto a los perfiles de extinción de la luz como a los perfiles del flujo de calor superficial. / [CA] A mesura que augmenta la consciència climàtica i es busquen reduir les emissions globals, s'estan fent esforços per a produir tecnologies que permeten desenvolupar motors més nets i amigables amb el medi ambient. Els sistemes GDI (injecció directa de gasolina) tenen el potencial de complir amb els estrictes estàndards d'emissions i, al mateix temps, millorar el consum de combustible. L'espai limitat dins de la cambra de combustió fa que l'impacte del doll amb la paret siga un fenomen comú en els motors d'injecció directa de gasolina. Aquest fenomen té un efecte significatiu en el desenvolupament del doll i la seua interacció amb l'aire en la cambra. La interacció doll-paret és un fenomen interessant i difícil de comprendre que ocorre durant el procés de combustió. En condicions d'arrancada en fred, les baixes pressions i temperatures en la cambra faciliten la deposició del combustible en la superfície del pistó, la qual cosa condueix a un augment considerable en la formació de sutge i en els hidrocarburs sense cremar. Aquesta tesi busca proporcionar informació sobre les característiques més rellevants de la interacció doll-paret en sistemes d'injecció directa de gasolina en condicions d'arrancada en fred i altres condicions evaporatives. Per a això, es va utilitzar una paret plana situada a diferents distàncies d'impacte i angles respecte a la punta de l'injector. Es va emprar un injector solenoide fabricat per Continental i l'injector "Spray G", utilitzant iso-octà com a combustible injectat. L'estudi es va dur a terme en diverses instal·lacions experimentals cobrint diverses tècniques òptiques. L'estudi de la interacció doll-paret es va dur a terme utilitzant tres campanyes experimentals. En la primera, es va utilitzar una paret de quars transparent per a analitzar les característiques macroscòpiques del doll en impactar la paret, observant-la lateral i frontalment amb l'ús de tres càmeres d'alta velocitat gràcies als accessos òptics de la instal·lació experimental. En la segona, es va emprar una paret termorregulada d'acer inoxidable per a mesurar l'efecte que tenen les condicions d'operació i ambientals sobre la transferència de calor entre la paret i el doll durant l'esdeveniment d'injecció de combustible. Es va observar que la penetració del doll lliure i el desenvolupament del doll sobre la paret són influenciats per la pressió d'injecció i l'angle d'inclinació de la paret. L'ample del doll mesurat després de l'impacte va ser afectat principalment per la distància entre l'injector i la paret i per l'angle de la paret però més encara per la distància respecte al punt d'impacte sobre la qual va ser mesurada. La semi àrea d'impacte és susceptible a canvis en l'angle de la paret i la distancia injector-paret tenint un paper fonamental en l'arrossegament d'aire entre el doll i l'ambient. No es van trobar diferències significatives entre les fases líquida i vapor tant per a la penetració de doll lliure com per al desenvolupament del doll sobre la paret a temperatura ambient. Per contra, amb la paret calfada, es van obtindre diferències entre la fase líquida i vapor, destacant la contribució de l'evaporació de combustible causada per l'increment en la temperatura de la paret. Respecte a la paret instrumentada, tant la temperatura del combustible com de la paret van produir els pics més significatius en termes del flux de calor superficial. Ordres de magnitud similars respecte al flux de calor superficial van ser trobats entre les campanyes experimentals de la paret instrumentada i la termografia infraroja. L'aparició del flaix boiling en condicions de menor contrapressió ambiental i major temperatura del combustible va modificar la morfologia del doll en termes d'amplària, la qual cosa va tindre repercussions significatives en el paràmetre R i en el nombre de gotes de líquid presents en el doll, afectant tant els perfils d'extinció de la llum com als perfils del flux de calor superfial. / [EN] Fuel injection is one of the most important factor that must be considered to achieve cleaner and more efficient internal combustion engines. Its role is more evident when direct injection strategies are used. As awareness of climate change and global emission reduction policies increase, efforts are being made to develop new technologies that enable cleaner and more environmentally friendly engines. The gasoline direct injection systems can fulfill strict emission standards and improve fuel consumption. Because of the space constraints inside the combustion chamber for spray penetration, collision and interaction with the wall are common events in direct injection engines, considerably influencing spray formation and air-spray interaction inside the chamber. In cold-start engine conditions, the lower injection pressures and temperatures in the combustion chamber enhance the fuel deposition over the piston surface, incrementing the soot and the unburned hydrocarbon formation. The present work highlights the fundamental aspects of the spray-wall interaction for the gasoline direct injection (GDI) system under cold-start and other evaporative conditions. For that, a flat wall is located several distances and at different wall angles to the injector tip. Also, this thesis involves using a solenoid injector produced by Continental and the well-known "Spray G" injector using iso-octane as injected fuel covering several techniques and experimental facilities. To analyze the spray-wall interaction, three experimental approaches were used: The first used three high-speed cameras and a quartz wall inside the test rig vessel to study the macroscopic characteristics of the spray, which was observed lateral and frontal by using the optical accesses of the vessel. The second approach used a stainless steel wall to catch the effect of the operating and ambient conditions over the heat flux between the wall and the spray during the fuel injection event and determine how the spray development is affected by the cold-start realistic engine conditions and other evaporative conditions that were included in the test matrix. This wall was coupled with sensors to control the initial surface temperature and to compute the temperature variation in time and the surface heat flux using high-speed thermocouples. The spray under free-jet conditions was also analyzed as a comparison point with the spray-wall interaction conditions. The free spray penetration and the spray spreading over the wall were influenced mainly by the injection pressure and the wall angle. The spray thickness measured after the SWI was affected primarily by the wall-to-tip distance and the wall angle but even more by the distance from the impact point in which it is measured. The semi-circle impact area was susceptible to wall angles and wall-to-tip distance variations, essential in the spray-air entrainment. No remarkable differences were found between the liquid and vapor phases for the free jet or the isothermal wall configuration. In contrast, some differences were obtained for the instrumented and thermoregulated wall, remarking the contribution of fuel evaporation caused by the wall temperature increase. Regarding the thermoregulated wall, the fuel and wall temperatures produced the most important peaks in terms of surface heat flux. A similar order of magnitude regarding the surface heat flux was found between the thermoregulated wall and infrared thermography experimental campaigns. The flash boiling appearance for the lower ambient back pressure and higher fuel temperature condition changed the spray morphology in terms of the width (spray angle), having significant repercussions over the R-parameter (which depends on the spray penetration) and in the number of liquid droplets present in the spray affecting both the light extinction profiles and the surface heat flux profiles. / Esta tesis se ha desarrollado en el marco de una ayuda para la Formación de Personal Investigador (FPI) Subprograma 1 (PAID-01-19) financiada por la Universitat Politècnica de València. / Carvallo García, CL. (2023). Experimental study of the behavior of gasoline direct injection GDI sprays during wall impingement under realistic engine conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195027

La fusion thermonucléaire est l'une des candidates favorites a la production d'énergie au courant de ce siècle. Parmi les défi que nous pose cette discipline, on note la turbulence au bord des machine de fusion et l'interaction plasma paroi. En effet nous avons montre que les fluctuations turbulentes affectent le transport des particules neutres et le rayonnement qui leur est associe. En particulier, sont affectes les neutres lents (dont le libre parcours moyen est de l'ordre de la longueur de corrélation des fluctuations), comme les molécules et les atomes d´impuretés pulvérises a la parois. Cette conclusion nous a conduit a inclure ces fluctuations dans le code de transport EIRENE utilise pour le dimensionnement de la machine ITER. Il a aussi été montre qu'en moyenne les fluctuations favorisent la pénétration des neutres dans le plasma. / Edge plasma of tokamaks manifests high level of fluctuations amplitude (>50%). It has been demonstrated that such a fluctuations affect significantly the transport of neutral particles, and in particular the slow particles as molecules and sputtered impurities. That is their penetration depth in the plasma is enhanced in the average. Then turbulent fluctuations are now implemented in the monte carlo transport code EIRENE used for the design of ITER.

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90° situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures. / This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90º elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements.

Thermonuclear fusion may become an attractive future power source. The most promising of all fusion machine concepts is the tokamak. Despite decades of active research, still huge tasks remain before a fusion power plant can go online. One of these important tasks deals with the interaction between the fusion plasma and the reactor wall. This work focuses on how eroded wall materials of different origin and mass are transported in a tokamak device. Element transport can be examined by injection of certain species of unique and predetermined origin, so called tracers. Tracer experiments were conducted at the TEXTOR tokamak before its final shutdown. This offered an unique opportunity for studies of the wall and other internal components: For the first time it was possible to completely dismantle such a machine and analyse every single part of reactor wall, obtaining a detailed pattern of material migration. Main focus of this work is on the high-Z metals tungsten and molybdenum, which were introduced by WF6 and MoF6 injection into the TEXTOR tokamak in several material migration experiments. It is shown that Mo and W migrate in a similar way around the tokamak and that Mo can be used as tracer for W transport. It is further shown how other materials - medium-Z (Ni), low-Z (N-15 and F), fuel species (D) - migrate and get deposited. Finally, the outcome of dust sampling studies is discussed. It is shown that dust appearance and composition depends on origin, formation conditions and that it can originate even from remote systems like the NBI system. Furthermore, metal splashes and droplets have been found, some of them clearly indicating boiling processes. / <p>QC 20151203</p>