En reactores de agua a presión, las secuencias de accidente severo con rotura de tubos del generador de vapor (conocidas por sus siglas en inglés SGTR, Steam Generator Tube Rupture) son dominantes del riesgo, a pesar de ser sucesos de muy baja probabilidad. Su importancia reside en la potencial liberación de radiactividad, en forma de aerosol, que supondrían desde el circuito primario al medio ambiente, sin intervención de la contención. Sin embargo, las partículas radioactivas podrían retenerse parcialmente en el secundario del generador de vapor aun cuando no quedara agua en el mismo. La ausencia de información sobre la capacidad del generador de vapor para atenuar el Término Fuente en condiciones secas, ha impedido su consideración en los estudios probabilistas de seguridad y en las guías de gestión de accidentes severos. Este trabajo describe las principales actividades y resultados de un programa experimental centrado en el estudio de la retención de aerosoles que se produce en la etapa de rotura del secundario de un generador de vapor seco. El trabajo está enmarcado en la contribución del CIEMAT al proyecto ARTIST (2003-2008) que ha sido financiada por el Consejo de Seguridad Nuclear. El objetivo general del trabajo fue desarrollar una base de datos de retención de productos de fisión en la etapa de rotura del secundario de un generador de vapor seco durante una secuencia SGTR de accidente severo. Los objetivos específicos del programa eran estimar tanto la influencia del campo de velocidades del gas, como la influencia de la naturaleza de las partículas en la retención de aerosoles en el haz de tubos. Para ello, se construyó una maqueta de tamaño intermedio con dimensiones y geometría representativas de una etapa un generador de vapor real. La caracterización aerodinámica del flujo en la etapa de rotura se realizó utilizando la técnica de velocimetría por imágenes de partículas (conocida por sus siglas en inglés PIV). La influencia de la naturaleza de la part / Sánchez Velasco, FJ. (2008). Experimental characterization of aerosol retention in the break stage of a dry steam generator in SGTR sequences [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3839 / Palancia

Señala la implementación y el uso de drones en diversas aplicaciones como el transporte, fotografía, seguridad y entre otros. Una de sus principales ventajas es que puede ser controlado remotamente y acceder a lugares de difícil acceso para las personas, pero además de esto se le puede incorporar una gran gama de sensores, una de ellas es el sensor de altura con la cual podemos calibrar y procesar imágenes a una determinada distancia del suelo ya que también se puede adherir una cámara. Se presenta como alternativa de solución un sistema que reciba la altura e imágenes de un dron tomadas sobre el predio a medir para el cálculo del área que requiere el fiscalizador mediante el procesamiento de imágenes. Para el desarrollo e implementación de la solución tecnológica se utilizan tecnologías Open Source. / Tesis

Concerning road safety, overtaking to cyclists is one of the most dangerous maneuvers that appear in two-lane rural roads, for both motor vehicles and cyclists. The underlying cause is that vehicles must partially invade the opposite lane, while driving parallel to them. Cyclists are very vulnerable users, thus being under a situation of clear inferiority with the rest of vehicles. In addition, the maneuver entirely depends on drivers, involving many variables in a complex decision process to be carried out in a very short period of time. The present thesis focuses on the analysis of the phenomenon of overtaking of motor vehicles to cyclists on two-lane rural roads in order to deepen the determination of the associated risk levels. A detailed review of the existing literature about overtaking maneuvers has been performed, especially focusing on the data collection methodologies. This has allowed the author to an in-depth determination of what variables do intervene in the process. As a result, it has been concluded that the most appropriate system is based on the use of an instrumented bicycle. Likewise, studies on aerodynamic effects during overtaking have been reviewed, given their impact on the stability and safety of the rider. From this point onwards, a road and mountain bike have been instrumented and in-situ data have been collected from overtaking maneuvers along several two-lane rural roads in the regions of Valencia and Castellón. The data collection process involves lateral distance, relative and absolute speeds, trajectories, etc., by means of naturalistic observations. The data collected have been analyzed, obtaining different risk parameters associated with the overtaking maneuvers and proposing a series of design and operational recommendations for two-lane rural roads to improve the safety of cyclists. Likewise, the accident data of both the roads in which the tests were carried out and other additional ones of the Valencian Community have been compiled, allowing to establish correlations between the parameters of risk and the predicted accident rate, developing a model for estimating road crashes. / A nivel de siniestralidad, la maniobra de adelantamiento a ciclistas es una de las más peligrosas que se presentan en carreteras convencionales, tanto para los vehículos que circulan por la carretera como para los propios ciclistas. Ello se debe a que, para adelantar a los ciclistas, el vehículo adelantante debe colocarse en paralelo a éstos y, en muchos casos, invadir el carril destinado al tráfico opuesto durante un cierto periodo de tiempo. El ciclista se presenta como un usuario muy vulnerable y con una situación de clara inferioridad en su interacción con el resto de vehículos. En última instancia, la maniobra depende totalmente de los conductores, en un proceso de decisión complejo a llevar a cabo en muy breve espacio de tiempo y en el que interviene un gran número de variables. La presente tesis doctoral se ha centrado en el análisis de este fenómeno del adelantamiento de vehículos a ciclistas en carreteras convencionales con el fin de profundizar en la determinación de los niveles de riesgo asociados. Se ha revisado la situación en la que se encuentran las investigaciones en relación con las maniobras de adelantamiento de vehículos sobre ciclistas, con especial orientación hacia las metodologías de toma de datos in situ por entenderse que es, a través de dichas metodologías, el camino correcto para conocer con mayor profundidad las variables que intervienen y condicionan este fenómeno. Fruto de este análisis se ha llegado a la conclusión de que el sistema más adecuado es el basado en la utilización de una bicicleta instrumentada. Igualmente, se han revisado los estudios sobre los efectos aerodinámicos durante el adelantamiento dada su incidencia en la estabilidad y seguridad del ciclista. A partir de ahí, se ha procedido a la instrumentación de una bicicleta de carretera y otra de montaña y se han recopilado datos in situ de adelantamientos a lo largo de varias carreteras convencionales de las provincias de Valencia y Castellón, tomándose datos sobre separaciones, velocidades, trayectorias, etc., a través de observaciones naturalistas. Los datos recopilados han sido analizados y a partir de ellos se han establecido diferentes parámetros de riesgo asociados a la maniobra de adelantamiento y se han propuesto una serie de recomendaciones para el diseño y explotación de carreteras convencionales que permitan mejorar la seguridad de los ciclistas. Igualmente, se han recopilado los datos de accidentalidad tanto de las carreteras en las que se han realizado las pruebas como de otras adicionales de la Comunidad Valenciana, permitiendo establecer correlaciones entre los parámetros de riesgo y la accidentalidad previsible, desarrollándose un modelo para la estimación de accidentes. / A nivell de sinistralitat, la maniobra d'avançament a ciclistes és una de les més perilloses que es presenten en carreteres convencionals, tant per als vehicles que circulen per la carretera com per als propis ciclistes. Això se deu al fet que, per a avançar als ciclistes, el vehicle avancen-te ha de col·locar-se en paral·lel a estos i, en molts casos, invadir el carril destinat al tràfic oposat durant un cert període de temps. El ciclista es presenta com un usuari molt vulnerable i amb una situació de clara inferioritat en la seua interacció amb la resta de vehicles. En última instància, la maniobra depén totalment dels conductors, en un procés de decisió complex a dur a terme en molt breu espai de temps i en el que intervé un gran nombre de variables. La present tesi doctoral s'ha centrat en l'anàlisi d'este fenomen de l'avançament de vehicles a ciclistes en carreteres convencionals a fi d'aprofundir en la determinació dels nivells de risc associats. S'ha revisat la situació en què es troben les investigacions en relació amb les maniobres d'avançament de vehicles sobre ciclistes, amb especial orientació cap a les metodologies de presa de dades in situ per entendre's que és, a través de les dites metodologies, el camí correcte per a conéixer amb més profunditat les variables que intervenen i condicionen este fenomen. Fruit d'esta anàlisi s'ha arribat a la conclusió que el sistema més adequat és el basat en la utilització d'una bicicleta instrumentada. Igualment, s'han revisat els estudis sobre els efectes aerodinàmics durant l'avançament donada la seua incidència en l'estabilitat i seguretat del ciclista. A partir d'ací, s'ha procedit a la instrumentació d'una bicicleta de carretera i una altra de muntanya i s'han recopilat dades in situ d'avançaments al llarg d'unes quantes carreteres convencionals de les províncies de València i Castelló, prenent-se dades sobre separacions, velocitats, trajectòries, etc., a través d'observacions naturalistes. Les dades recopilats han sigut analitzats i a partir d'ells s'han establit diferents paràmetres de risc associats a la maniobra d'avançament i s'han proposat una sèrie de recomanacions per al disseny i explotació de carreteres convencionals que permeten millorar la seguretat dels ciclistes. Igualment, s'han recopilat les dades d'accidentalitat tant de les carreteres en què s'han realitzat les proves com d'altres addicionals de la Comunitat Valenciana, permetent establir correlacions entre els paràmetres de risc i l'accidentalitat previsible, desenrotllant-se un model per a l'estimació d'accidents. / Ferrer Pérez, VM. (2017). Establecimiento de parámetros de riesgo para la seguridad de los ciclistas durante las maniobras de adelantamiento en carreteras convencionales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86188 / TESIS

[ES] Hyperloop es considerado el quinto medio de transporte, después del coche, barco, tren y avión. Consiste en una capsula de levitación magnética que viaja dentro de un tubo en el que la presión de aire ha sido reducida. Entonces, la fricción con el suelo y resistencia aerodinámica son minimizadas, alcanzando ultra altas velocidades a nivel de tierra. Actualmente hay en desarrollo varios trenes maglev y conceptos hyperloop. La mayoría proponen levitar usando Suspensión Electromagnética (EMS). Zeleros, la compañía donde esta Tesis ha sido realizada, tiene una propuesta similar. Zeleros usa un EMS Híbrido (HEMS), combinando imanes y electroimanes para reducir los requerimientos de energía. Respecto a la propulsión, la propuesta es única ya que hace uso de un compresor de la industria aeroespacial. Simulaciones CFD prueban que usar un compresor reduce considerablemente la resistencia aerodinámica en el ambiente cerrado, ya que el efecto pistón es mitigado. Para el mismo tamaño de tubo y presión, un hyperloop con compresor requiere hasta 70 % menos potencia. En otros términos, si la misma potencia es instalada en el vehículo, el diámetro de la infraestructura puede ser 2.8 veces más pequeño. Esta Tesis desarrolla un simulador 0D para evaluar el rendimiento de la solución hyperloop propuesta. Resolver su aerodinámica requiere solucionar un fujo interno y externo de Fanno. El último combina efectos de Couette y Poisuille en un dominio anular. Así, se desarrolla un modelo simplificado para flujos de Fanno, acelerando así el modelado básico. Esta aproximación matemática incluye información de la velocidad de la pared y de la forma del dominio, evitando integrar un sistema de EDOs. La solución tiene una desviación en la ratio de presiones de 5 % respecto a CFD, y del 10 % en la longitud crítica. El simulador modela toda la termodinámica del vehículo, incluyendo el compresor, conductos, turbina, tobera y flujo externo. Este modelado es similar al del ciclo de Bryton, sin cámara de combustión. Además, se incluye un modelo para predecir la masa y longitud de la cápsula y sus componentes. Así, las pérdidas de fricción y requerimientos de potencia y energía son obtenidos. Estos resultados presentan una desviación máxima del 20 % respecto a CFD. Además, un proceso de optimización para encontrar la solución más eficiente se ha desarrollado con el código, para vehículos de 50 y 150 pasajeros. Se ha encontrado que es más beneficioso absorber menos gasto másico con el compresor, ya que la energía requerida para comprimir el flujo interno es más alta que las pérdidas en el canal externo. Comparando el consumo de energía específico de esta solución con otros medios de transporte, el hyperloop se encuentra cercano al rendimiento de los maglev. Éste es, también, entre tres y cinco veces más eficiente que los aviones. Además, es más competitivo que el avión en términos de velocidad media en una ruta hasta los 800 km. Por último, se desarrolla un modelo similar para un sistema de escala media. Este prototipo, cuya velocidad objetivo es de 500 km/h, es diseñado por Zeleros previo al sistema de escala real. Su simulador incluye además los efectos transitorios y la termodinámica del tubo, asumiendo una velocidad del sonido infinita. Gracias a este código, se puede obtener el rendimiento en una misión. Inicialmente, el prototipo incrementa la presión del tubo aguas arriba, y la reduce aguas abajo debido al efecto pistón, generando una velocidad inducida. Al final de la misión, el flujo puede ser transferido otra vez, y las presiones se equilibran otra vez. Este modelo también predice el par y potencia del motor eléctrico, además de los parámetros de la batería (voltaje, corriente y profundidad de descarga). / [CA] Hyperloop és considerat el cinquè mitjà de transport, després del cotxe, vaixell, tren i avió. Consisteix en una càpsula de levitació magnètica que viatja dins d'un tub on la pressió d'aire es reduïda. Aleshores, la fricció amb el sòl i resistència aerodinàmica són minimitzades, aconseguint ultra altes velocitats a nivell de terra. Actualment hi ha en desenvolupament diversos trens maglev i conceptes hyperloop. La majoria proposen levitar usant Suspensió Electromagnètica (EMS). Zeleros, la companyia on aquesta Tesi ha sigut realitzada, té una proposta similar. En particular, el concepte de Zeleros utilitza un EMS Híbrid (HEMS), combinant imants i electroimants per reduir els requeriments d'energia. Pel que fa a la propulsió, la proposta és única, ja que fa ús d'un compressor de la indústria aeroespacial. Simulacions CFD proven que utilitzar un compressor redueix considerablement la resistència aerodinàmica en un ambient tancat, ja que l'efecte pistó és mitigat. Per a la mateixa grandària de tub i pressió, un hyperloop amb compressor requereix fins a 70 % menys potència. En altres termes, si la mateixa potència és instal·lada al vehicle, el diàmetre de la infraestructura pot ser 2.8 vegades més menut. Aquesta Tesi desenvolupa un simulador 0D per avaluar el rendiment de la solució hyperloop proposada. Resoldre l'aerodinàmica del hyperloop requereix solucionar un flux intern i extern de Fanno. L'últim combina efectes de Couette i Poiseuille en un domini anular. Així, es desenvolupa un model simplificat per a fluxos de Fanno, accelerant així el modelatge bàsic. Aquesta aproximació matemàtica inclou informació de la velocitat de la paret i de la forma del domini, evitant integrar un sistema de EDOs. La solució té una desviació a la ràtio de pressions de 5 % respecte a CFD, i del 10 % a la longitud crítica. El simulador modela tota la termodinàmica del vehicle, incloent-hi el compressor, conductes, turbina, tovera i flux extern. Aquest modelat es similar al del cicle de Bryton, sense càmera de combustió. A més, s'inclou un model per predir la massa i la longitud de la càpsula i els seus components. Així, les pèrdues de fricció i requeriments de potència i energia són obtinguts. Aquests resultats presenten una desviació màxima del 20 % comparat amb CFD. A més, un procés d'optimització per trobar la solució més eficient ha estat desenvolupat amb el codi, per a vehicles de 50 i 150 passatgers. S'ha trobat que és més beneficiós absorbir menys massa amb el compressor, ja que l'energia requerida per comprimir el flux intern és més alta que les pèrdues al canal extern. Comparant el consum d'energia específic d'aquesta solució amb altres mitjans de transport, el hyperloop és proper al rendiment dels maglev. Aquest també és entre tres i cinc vegades més eficient que els avions. A més, és més competitiu en termes de velocitat mitjana en una ruta fins a 800 km. Finalment, es desenvolupa un model semblant per a un sistema d'escala mitjana. Aquest prototip, la velocitat objectiu del qual és de 500 km/h, és dissenyat per Zeleros previ al sistema d'escala real. El seu simulador inclou a més els efectes transitoris i la termodinàmica del tub, assumint una velocitat del so infinita. Gràcies a aquest codi, es pot obtenir el rendiment en una missió. Inicialment, el prototip incrementa la pressió del tub aigües amunt, i la redueix aigües avall degut a l'efecte pistó, generant una velocitat induïda. Al final de la missió, el flux pot ser transferit una altra vegada, i les pressions s'equilibren una altra vegada. Aquest model també prediu el parell i potència del motor elèctric, a més dels paràmetres de la bateria (voltatge, corrent i profunditat de descàrrega). / [EN] Hyperloop is considered the fifth means of transportation, after the car, boat, train and plane. It consists of a magnetically levitating capsule that travels within a tube in which the air pressure has been reduced. Thus, the ground friction and aerodynamic drag are minimised, reaching ultra high-speeds at ground level. Several maglev trains and hyperloop concepts being developed currently. Most of them propose levitating using Electromagnetic Suspension (EMS). Zeleros, the company where this Thesis was done, has a similar approach. It employs a Hybrid EMS (HEMS)In particular, the Zeleros approach employs a Hybrid EMS (HEMS), combining permanent and electromagnets to reduce energy requirements. As for the propulsion, the approach is unique as it uses a compressor from the aeronautical industry. CFD simulations prove that using a compressor considerably reduces the aerodynamic drag in the closed environment, as the piston effect gets mitigated. For the same tube size and pressure, a hyperloop with compressor requires up to 70 % less power. In other terms, if the same power is installed on the vehicle, the infrastructure diameter can be 2.8 times smaller. This Thesis develops a 0D simulator to evaluate the performance of the proposed hyperloop solution. Solving the aerodynamics of the hyperloop requires solving internal and external Fanno flows. For the latter, the flow combines Couette and Poiseuille effects in an annular domain. Thus, a simplified model for Fanno flows is developed to accelerate the basic modelling. This mathematical approach includes the information of the wall speed and the shape of the domain, avoiding integrating an ODE system. The solution has a deviation in the pressure ratio of 5 % and 10 % in the critical length regarding CFD. The simulator models all the vehicle thermodynamics, including the compressor, duct, turbine, nozzle, and external flow. This modelling is similar to a Bryton cycle, without a combustion chamber. Also, a model to predict the mass and length of the capsule and its components is included. Thus, the friction losses and the energy and power requirements can be extracted. These outputs are compared with CFD results, with a maximum deviation of 20 %. Moreover, an optimisation process is conducted with the code to find the most efficient solution for 50- and 150-passenger vehicles. It is found that shallowing less mass flow with the compressor is better, as the energy required to compress the internal flow is higher than the losses on the external channel. Comparing the specific energy consumption of this solution with other means of transportation, the hyperloop is close to the maglev performance. It is also between three and five times more efficient than aeroplanes. Furthermore, the hyperloop is more competitive than the plane in terms of average speed on a route, up to 800 km. The last part of this work develops a similar model for a middle-scale system. This prototype, which aims to reach 500 km/h, is being designed by Zeleros before the real-scale one. Its simulator also includes the transient effects and the tube thermodynamics, assuming an infinite sound speed. Thanks to this code, the performance in a mission is obtained. The prototype initially increases the upstream tube pressure and reduces the downstream one due to the piston effect, generating an induced speed. At the end of the mission, the flow can be transferred again, and the pressures equilibrate again. This model also predicts the electric motor torque and power and the battery parameters (voltage, current, and deep of discharge). / Este trabajo ha recibido una subvención parcial del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades bajo la ayuda “Doctorandos Industriales” número DI-17-09616. / Lluesma Rodríguez, F. (2022). Design and Optimisation of a Virtual Prototype of a Ground Transportation System at Very High-Speeds in Conditions Close to Vacuum [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191409

El presente trabajo de tesis consiste en el análisis aerodinámico de perfiles de sustentación para un aerogenerador de tres álabes de eje horizontal con una potencia de 3kW. El principal objetivo reside en la determinación y comparación de la eficiencia aerodinámica de 4 perfiles de sustentación mediante método analítico para finalmente evaluar el perfil de mayor eficiencia a través de simulación numérica por medio de software CFD. A través de la combinación de las teorías de cantidad de movimiento y del elemento del álabe se logra desarrollar el método analítico que consiste en un proceso de cálculo iterativo con el cual se analiza 4 perfiles aerodinámicos, en cada condición de operación y en cada sección del álabe en las que se dividió. Esto lleva a obtener los parámetros que definen el rendimiento aerodinámico para luego comparar los perfiles mediante las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad especifica de la punta del álabe obteniéndose que el perfil de mayor eficiencia es el WORTMANN FX 60-126. Luego de seleccionar el perfil más eficiente se procede a evaluar sus características mediante simulación numérica a través del análisis de volúmenes finitos para flujo externo en software CFD. Se presenta la metodología de trabajo para elaborar el modelado, el mallado, las condiciones de contorno y el análisis de convergencia en el modelo de turbulencia SST. Al obtener los resultados de potencia por simulación numérica se comparan las curvas de rendimiento entre ambos métodos desarrollados, concluyendo principalmente que el método analítico es un proceso de cálculo confiable ya que la curva de eficiencia presenta la forma característica de campana para aerogeneradores de eje horizontal. Como resultado se tiene que mediante la comparación de las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad específica en el perfil seleccionado la variación del coeficiente de potencia es de aproximadamente 15% para la mayor parte de las condiciones de operación. Finalmente, se muestra la resolución de los fenómenos aerodinámicos donde se observa el cambio de presión y velocidad del viento al atravesar el rotor, la resolución del perfil de velocidad en la capa límite, las líneas de flujo y la turbulencia generada por el paso de viento sobre el rotor, la diferencia de velocidades y presiones alrededor del perfil aerodinámico que generan la fuerza de sustentación y finalmente la potencia. Concluyéndose que el procedimiento desarrollado para la simulación numérica es confiable ya que describe los fenómenos aerodinámicos esperados teóricamente.

[ES] En los turbocompresores con turbina de geometría variable (VGT por sus siglas en inglés) los vanos del estator se mueven a una posición cerrada para generar una contrapresión durante el modo de frenado del motor. De este modo, se generan ondas de choque en el estator. Además, en otras aplicaciones donde se utilizan turbinas radiales como en ciclos reversos de Brayton para refrigeración, ciclos orgánicos Rankine, y en las turbinas para la unidad de potencia auxiliar, dependiendo de las condiciones de operación, pueden aparecer condiciones sónicas y ondas de choque. El presente trabajo se centra en el estudio del comportamiento del flujo a través de una turbina de geometría variable de un turbocompresor comercial en condiciones fuera de diseño alcanzando condiciones de choque. Se ha realizado un análisis detallado del patrón de flujo dentro de la turbine usando simulaciones CFD, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes bajo diferentes condiciones de operación. Se han llevado a cabo simulaciones estacionarias usando Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) y no estacionarias (unsteady RANS) para obtener las características del flujo en el estator y en el rotor, además de obtener el mapa de la turbina. Los resultados CFD muestran que la región del dominio computacional donde aparecen las condiciones sónicas depende de la posición de los vanos del estator y la relación de presiones. Cuando los vanos del estator están en una posición cerrada (10% VGT), el fluido se acelera y, dependiendo de la relación de presiones, la presión estática en el lado de succión disminuye hasta cierto punto donde un incremento repentino revela la presencia de una onda de choque, la cual se expande por el espacio sin vanos. La intensidad de la onda de choque bajo la relación de presiones más altas varia con la velocidad de giro. Para analizar la interacción entre el rotor y el estator se llevaron a cabo simulaciones numéricas con los vanos del estator en una posición cerrada, 10% VGT, y en una posición más abierta, 30% VGT. El número de choques que una partícula del fluido experimenta aguas arriba del rotor está correlacionado con las pérdidas por choque del fluido. Cerca de los vanos del estator, las pérdidas de presión son altas, hacia el centro del espacio sin vanos las pérdidas disminuyen y cerca del rotor empiezan a incrementar. La interacción entre el rotor y el estator crea ondas de choque cuya intensidad depende de la posición del borde de ataque del rotor y de la velocidad de giro. A la velocidad de giro más alta, ocurren fluctuaciones en la carga cerca del borde de ataque, las cuales pueden comprometer la integridad de la pala. Cuando la turbina tiene los vanos del estator abiertos (80% VGT) y opera a la relación de presión más alta seleccionada, las condiciones de choque aparecen en el plano del borde de fuga del rotor. Además, el desarrollo del área chocada depende de la velocidad de giro y de las fugas en la punta del álabe. Así, se investigó los efectos de las fugas en la punta del alabe sobre el flujo principal bajo condiciones sónicas disminuyendo e incrementando el intersticio entre la punta del álabe y la carcasa hasta un 50% en base a la geometría dada por el fabricante. El flujo a través de este espacio se acelera para posteriormente mezclarse con el flujo principal y generar un vórtice. Los efectos del vórtice sobre el flujo en el plano ubicado en el borde de fuga del rotor cuando el intersticio varía son más significativos a altas velocidades que a bajas velocidades. El vórtice permanece más cerca del lado de succión a altas velocidades generando una región subsónica que incrementa con la altura del intersticio. Las fugas en la punta del álabe no afectan al flujo principal cerca del cubo cuando la turbina opera a altas y bajas velocidades. / [CA] En turbocompressors amb turbina de geometria variable (VGT per les seues sigles en anglès), les paletes de l'estàtor es mouen a una posició tancada per generar una contrapressió durant el mode de frenada del motor. D'aquesta forma, es generen unes ones de xoc en l'estàtor. A més, en altres aplicacions on s'utilitzen turbines radials com els cicles inversos de Brayton per a refrigeració, cicles orgànics de Rankine o en turbines per a la unitat de potencia auxiliar, depenent de les condicions d'operació poden aparéixer condicions sòniques i d'ones de xoc. El present treball es centra en l'estudi del comportament del flux en una turbina radial de geometria variable d'un turbocompressor comercial en condicions fora de disseny, arribant a condicions de xoc. S'ha realitzat un anàlisi detallat del patró de flux dins d'aquestes turbines utilitzant simulacions CFD, identificant i quantificant els fenòmens més importants a diferents condicions d'operació. S'han realitzat simulacions estacionàries utilitzant Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) i no estacionàries (Unsteady-RANS) per a obtenir les característiques del flux en l'estàtor i en el rotor, a més d'obtenir el mapa de la turbina. Els resultats CFD mostren que la regió del domini computacional on apareixen les condicions sòniques depenen de la posició de les paletes de l'estàtor i de la relació de pressions. Quan les paletes de l'estàtor estan en una posició tancada (10% VGT), el flux s'accelera i, depenent de la relació de pressions, la pressió estàtica en el costat de succió disminueix fins a cert punt on un increment brusc denota la presència d'una ona de xoc que s'expandix per l'espai sense paletes. L'intensitat de la ona de xoc a relacions de pressions elevades varia amb la velocitat de rotació. Per analitzar l'interacció entre rotor i estàtor es van realitzar simulacions numèriques amb les paletes de l'estàtor en una posició tancada, 10% VGT, i en una posició més oberta, 30% VGT. El nombre de xocs que una partícula del fluid experimenta aigües amunt del rotor està correlacionat amb les pèrdues per xoc del fluid. Prop de les paletes de l'estàtor, les pèrdues de pressión són elevades, cap al centre de l'espai sense paletes les pèrdues disminueixen i prop del rotor comencen a incrementarse. L'interacción entre rotor i estàtor crea ones de xoc amb una intensitat que depèn de la posició de la vora d'atac del rotor i de la velocitat de rotació. A la velocitat de rotació més elevada, prop de de la vora d'atac ocorren fluctuacions en la càrrega que poden comprometre la integritat de la pala. Quan la turbina té les paletes de l'estàtor obertes (80% VGT) i opera a la relació de pressió més elevada de les seleccionades, les condicions de xoc apareixen en el pla de la vora de fuga del rotor. A més, el desenvolupament de l'àrea xocada depèn de la velocitat de rotació i de les fugues en la punta de les paletes. Així, s'ha investigat els efectes de les fugues en la punta de les paletes sobre el flux principal sota condicions sòniques, disminuint i incrementant l'interstici entre la punta de la paleta i la carcasa fins un 50\% en base a la geometria donada pel fabricant. El flux en aquest espai s'accelera per a posteriorment mesclar-se amb el flux principal i generar un vòrtex. Els efectes del vòrtex sobre el flux en el pla ubicat a la vora de fuga del rotor quan l'interstici varia són més significatives a velocitats altes que a velocitats baixes. El vòrtex roman més prop del costat de succió a velocitats elevades generant una regió subsònica que incrementa amb l'altura de l'interstici. Les fugues en la punta de les paletes no afecten al flux principal prop del cub quan la turbina opera tant a altes com baixes velocitats. / [EN] In turbochargers with variable geometry turbine (VGT), the stator vanes move to a closed position to drive high exhaust back pressure during the engine braking mode. Thus, shock waves are generated at the stator. Furthermore, depending on the operational conditions in the use of radial turbines in other applications like reverse Brayton cycle for refrigeration, Organic Rankine Cycles, and gas turbine auxiliary power unit (GTAPU), sonic flow and shock waves can appear. The current work focuses on studying the flow behavior of a commercial turbocharger turbine of variable geometry at off-design conditions reaching choked flow. A detailed examination of the flow patterns within the turbine has been carried out using CFD simulations, identifying and quantifying the most important phenomena under different operational points. Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and unsteady RANS simulations have been performed to obtain the flow structures in stator and rotor as well as the turbine map. The CFD results show that the region of the computational domain where the sonic conditions appear depends on the stator vanes position and the pressure ratio. When the stator vanes are in the closed position (10% VGT) the flow through the stator accelerates and, depending on pressure ratio, the static pressure on the suction side decreases until a certain point where a sudden increase reveals the presence of a shock wave that expands through the vaneless space. The intensity of the shock wave at higher pressure ratio varies with the rotational speed. To analyze the rotor-stator interaction, numerical simulations were carried out with the stator vanes at the closed position, 10% VGT, and at wider position, 30% VGT. The number of shocks a fluid particle experiences upstream of the rotor is correlated with the fluid shock losses. Close to the stator vanes, the pressure losses are high; toward the center of the vaneless space, they start to decrease, and close to the rotor they start to increase. The rotor-stator interaction creates shock waves, whose intensity depends on the position of the rotor leading edge and the blade speed. At higher rotational speed, load fluctuation occurs close to the leading edge, which may compromise the blade's integrity. When the turbine has the stator vanes open (80% VGT) and operates at the selected higher pressure ratio, the choking condition appears in a plane at the rotor trailing edge. Furthermore, the development of the choked area depends on the rotational speed and tip leakage. Thus, the effect of the tip leakage flow on the main flow under sonic conditions was investigated decreasing and increasing the tip gap up to 50% of the original geometry given by the manufacturer. The flow through the gap accelerates and then mixes with the main flow, generating a vortex. The effects of the vortex on the flow at the rotor trailing edge plane when the tip gap varies are more significant at higher speed than at lower speed. The vortex stays closer to the tip suction side at higher speed, generating a subsonic region that increases with the tip gap height. At higher and lower rotational speeds, the tip leakage flow does not affect the main flow close to the hub. / I would like to acknowledge the financial support received through the "Subprograma de Formación de Profesorado Universitario (FPU)". Ministerio de Universidades. FPU18/02628 and by the "FPI Subprograma 2". Universitat Politècnica de València. PAID-10-18. / Echavarría Olaya, JD. (2023). Numerical Study of a Radial Turbine of Variable Geometry at Off-Design Conditions Reaching Choked Flow [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196861

La presente tesis tiene como objetivo principal comprobar el diseño de la torre, la góndola y la hélice de un aerogenerador tripala de 20 kW y eje horizontal, empleando simulación numérica computacional mediante el software ANSYS. Se realizó el estudio aerodinámico de la hélice, obteniéndose el campo de presiones que actúa sobre la misma, así como el torque y la potencia que es capaz de transmitir. Con la distribución de presiones obtenida se procedió a realizar el análisis estructural de la hélice, obteniéndose un factor de seguridad de 1.3. Se determinaron también las frecuencias naturales y los modos de vibración de la hélice, observándose que no ocurrirá el fenómeno de resonancia. Posteriormente se realizó un análisis estático estructural de la torre bajo dos escenarios: posición de funcionamiento y posición inicial de izaje, el cual permitió obtener la distribución de esfuerzos y desplazamientos de la misma. A partir de estos resultados se tiene que la torre trabajaría con un factor de seguridad por resistencia no inferior a 1.3. Mediante un análisis de estabilidad se obtuvo el factor de pandeo de la torre, igual a 31. También se obtuvieron los modos de vibración de la torre y sus correspondientes frecuencias naturales, observándose que las frecuencias naturales están alejadas de la frecuencia nominal de trabajo. Mediante otro análisis estructural estático se obtuvieron los resultados de esfuerzos y desplazamientos para de los componentes de la góndola, que fueron analizados de forma individual y en conjunto. El factor de seguridad de estos componentes es superior a 1.2. Los estudios de simulación estructurales de la torre y góndola se verificaron a través de cálculos analíticos, comprobándose que los resultados son correctos. Los resultados obtenidos permiten concluir que el diseño propuesto por la empresa WAIRA, evaluado bajo las condiciones descritas en este documento, está apto para operar adecuadamente.