[EN] A rational and correct usage of available water resources in irrigation entails access to infrastructures that utilise pressurised pipelines to carry the required volumes of water from the catchment to the plant. The pressurised irrigation systems, whether at collective or smallholding level, permit a high degree of control over the water applied, and guarantee a high rate of application efficiency. Over the last 30 years, the adoption of these irrigation systems have led to the construction and start-up of numerous collective pressurised irrigation networks. In the Mediterranean region, where the production model is based on the intensive farming of small and medium-sized plots of land (areas not exceeding 0.5 hectares), the water distribution systems from the network to the allotment is normally via so-called multi-user hydrants. These devices have unique features that make them difficult to characterise and model. Traditionally their design and configuration has been the responsibility of the engineering design team who use their own experience as a criterion of design, disregarding the fact in many cases, of how the design and configuration affects the hydraulic response of these devices as well as the influence this will have on the infrastructure works connected downstream from these devices. This thesis deals with the study of these multi-user hydrants. Firstly it analyses their current state of operation, compiling the problems encountered at present, highlighting the metrological blocking of meters, corrosion, leaks, excessive load losses, unsuitable materials and equipment, etc. Problems that impair the equipment and make it impossible for them to perform the functions for which they were installed. Secondly, an attempt to organise the devices based on their configuration is done, classifying them according to the position of the water meter, in horizontal and vertical. Analyses of the regulations that define the characteristics of the hydrants (UNE-EN14267) is carried out, demonstrating that it is insufficient for these types of elements. Therefore, through the experience gained in the LHIR of UPV (The Hydraulics and Irrigation Laboratory of the Politechnic University of Valencia), and from the hydraulic trials of 13 of these devices, we propose tests of hydraulic characterisation that allow us to assess the correct configuration and operation of the aforementioned devices, analysing and proposing solutions for the main problem that was encountered - the blocking of metrological meters. Thirdly, once the situation of the multi-user hydrants is analysed, and after the problems encountered in the field and laboratory are compiled, a design protocol is developed that culminates in a draft of the Technical Specifications of the types of devices. The application of this draft with the collaboration of SEIASA (Spanish Society of Agricultural Infrastructures) leads to the development of a hydrant configuration type called "Costella", where the main challenges that were encountered ultimately are solved. This part of the thesis ends with validation through hydraulic tests in the laboratory (LHIR), of three hydrants with this configuration. The fourth and last part of the thesis proposes a method of analysis, based on the EPANET 2.0 application, which makes it possible to verify and configure this type of hydrant validating its operation before its installation in the network. Utilising all the experimental framework a model has been constructed using Computational Fluid Dynamics (CFD) from the collectors of the trialed hydrants. In paralllel every type of hydrant has been characterised by means of EPANET adjusting the resitance coefficients of the different unique components that constitute each hydrant. These CFD models have made it possible to validate the models in EPANET that simulate with great precision the real response of the collectors and therefore apply to the simulation of the whole hydrant. / [ES] Un aprovechamiento racional y ajustado de los recursos hídricos disponibles en el regadío implica la necesidad de disponer de infraestructuras que mediante conducciones a presión permitan llevar desde captación hasta la planta los volúmenes requeridos. Los sistemas de riego a presión, tanto a nivel colectivo como en parcela, permiten un alto control sobre el agua aplicada y garantizan una alta eficiencia de aplicación. La adopción de estos sistemas de riego ha conllevado en los últimos 30 años la construcción y puesta en marcha de numerosas redes colectivas de riego a presión. En el arco mediterráneo donde el modelo productivo se basa en una agricultura intensiva de parcelas de tamaño pequeño y medio (superficies medias no superiores a 0,5 ha), el sistema de distribución del agua desde la red a la parcela se realiza normalmente a través de hidrantes denominados multiusuario. Estos dispositivos presentan unas características singulares que los hacen difíciles de caracterizar y modelizar. Tradicionalmente su diseño y configuración ha corrido a cargo de los ingenieros proyectistas utilizando la propia experiencia como criterio de diseño, desconociendo, en muchos casos, cómo afecta el diseño y configuración a la respuesta hidráulica de estos dispositivos, y la influencia que éstos tendrán en las obras de infraestructura conectadas aguas abajo de los mismos. Esta Tesis aborda el estudio de estos hidrantes multiusuario. En primer lugar analizando su estado actual de funcionamiento, recopilando los problemas que se encuentran en la actualidad, resaltando el bloqueo metrológico de contadores, oxidaciones, fugas, pérdidas de carga excesivas, materiales y equipos no adecuados, etc. Problemas que deterioran estos equipos e imposibilitan que realicen las funciones para los que fueron instalados. En segundo lugar se intenta organizar, los dispositivos en función de su configuración, clasificándolos según la posición del contador de agua, en horizontales y verticales. Se analiza la normativa que define las características de los hidrantes (UNE-EN 14267), demostrando que es insuficiente para este tipo de elementos. Por lo que a través de la experiencia recogida en el LHIR (Laboratorio de Hidráulica y Riegos) de la UPV, y del ensayo hidráulico de 13 de estos dispositivos, se proponen ensayos de caracterización hidráulica que permitan evaluar la correcta configuración y funcionamiento de los mismos, analizando y proponiendo soluciones al principal problema encontrado, el bloqueo metrológico de contadores. Una vez analizada la situación de estos hidrantes multiusuario, y tras la recopilación de los problemas encontrados en campo y en laboratorio, se desarrolla un protocolo de diseño que culmina con la redacción de un Pliego de Condiciones Técnicas para este tipo de dispositivos. La aplicación de este pliego junto con la colaboración de SEIASA (Sociedad Española de Infraestructuras Agrarias) desemboca en el desarrollo de una configuración de hidrante tipo denominado "Costella", donde se solucionan los principales problemas planteados. Esta parte finaliza con la validación a través de ensayos hidráulicos en el laboratorio (LHIR), de tres hidrantes con esta configuración.La cuarta y última parte propone un método de análisis, basado en la aplicación EPANET, que permita verificar y realizar configuraciones de este tipo de hidrantes validando su funcionamiento antes de su instalación en la red. Utilizando toda la base experimental se ha construido un modelo mediante Técnicas Computacionales de Fluidos (CFD) de los colectores de los hidrantes ensayados. Paralelamente se ha caracterizado cada tipo de hidrante mediante EPANET ajustando los coeficientes de resistencia de los diferentes elementos singulares que configuran cada hidrates. Estos modelos CFD han permitido validar los modelos en EPANET que simulen con gran precisión la respuesta real de los colectores y por tanto aplicarlos a la s / [CA] Un aprofitament racional i ajustat dels recursos hídrics disponibles en el regadiu implica la necessitat de disposar d'infraestructures que, mitjançant conduccions a pressió, permeten portar els volums requerits des de la captació fins a la planta. Els sistemes de reg a pressió, tant en l'àmbit col·lectiu com en parcel·les, permeten un alt control sobre l'aigua aplicada i garanteixen una alta eficiència d'aplicació. L'adopció d'aquests sistemes de reg ha comportat en els últims trenta anys la implantació de nombroses xarxes col·lectives de reg a pressió. En l'arc mediterrani, on el model productiu es basa en una agricultura intensiva de parcel·les de dimensions petites i mitjanes (superfícies mitjanes no superiors a 0,5 ha), el sistema de distribució de l'aigua des de la xarxa fins a la parcel·la es du a terme normalment a través de hidrant denominades multiusuari. Aquests dispositius presenten unes característiques singulars que els fan difícils de caracteritzar i modelitzar. Tradicionalment, el disseny i la configuració han anant a càrrec dels enginyers projectistes utilitzant la pròpia experiència com a dissenyadors, i desconeixent, en molts casos, com afecta el disseny i la configuració a la resposta hidràulica d'aquests dispositius, i la influència que aquests tindran en les obres d'infraestructura connectades aigües avall. Aquesta tesi aborda l'estudi d'aquestes hidrants multiusuari. En primer lloc, analitzant-ne l'estat actual de funcionament, recopilant els problemes que hi ha en l'actualitat, ressaltant el bloqueig metrològic de comptadors, oxidacions, fuites, pèrdues de càrrega excessives, materials i equips no adequats, etc. Problemes que deterioren aquests equips i impossibiliten que duguen a terme les funcions per a les quals van ser instal·lats. En segon lloc, s'intenta organitzar els dispositius en funció de la configuració, i així es classifiquen, segons la posició del comptador d'aigua, en horitzontals i verticals. S'analitza la normativa que defineix les característiques de les hidrants (UNE-EN 14267), i es demostra que és insuficient per a aquesta classe d'elements. Per això, a través de l'experiència arreplegada en el LHIR (Laboratori d'Hidràulica i Regs) de la UPV, i de l'assaig hidràulic de 13 d'aquests dispositius, es proposen assajos de caracterització hidràulica que permeten avaluar-ne la configuració i el funcionament correctes, s'analitza el bloqueig metrològic de comptadors i es proposen solucions a aquest problema, que és el principal problema detectat. Una vegada analitzada la situació d'aquestes hidrants multiusuari de reg, i després de la recopilació dels problemes trobats en camp i en laboratori, es desenvolupa un protocol de disseny que culmina amb la redacció d'un plec de condicions tècniques per a aquest tipus de dispositius. L'aplicació d'aquest plec juntament amb la col·laboració de SEIASA (Societat Espanyola d'Infraestructures Agràries) desemboca en el desenvolupament d'una configuració de hidrant tipus denominat "Costella", en què se solucionen els principals problemes plantejats. Aquesta part finalitza amb la validació, a través d'assajos hidràulics en el laboratori (LHIR), de tres hidrants amb aquesta configuració. La quarta i última part proposa un mètode d'anàlisi, basat en l'aplicació EPANET 2.0, que permeta verificar i fer configuracions d'aquest de tipus hidrants validant-ne el funcionament abans d'instal·lar-los en la xarxa. Utilitzant tota la base experimental, s'ha construït un model mitjançant tècniques computacionals de fluids (CFD) dels col·lectors de les hidrants assajades. Paral·lelament, s'ha caracteritzat cada tipus d'hidrant mitjançant EPANET ajustant els coeficients de resistència dels diversos elements singulars que configuren cada hidrant. Aquests models CFD han permès validar els models en EPANET que simulen amb gran precisió la resposta real dels col·lectors y per tant aplicar-los a la / Balbastre Peralta, I. (2016). Análisis, caracterización y diseño de Hidrantes multiusuario para riego [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62214

[ES] La industria y la comunidad investigadora están trabajando para desarrollar herramientas y tecnologías que contribuyan a la reducción de emisiones contaminantes. Uno de los sectores afectados por la normativa anticontaminación es el transporte. Nuevas tecnologías están evolucionando, especialmente componentes de los sistemas de inyección, diseño de cámaras de combustión, elementos de postratamiento, la hibridación, entre otros. Los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) han sido una de las claves para alcanzar los objetivos de las normativas de emisiones, especialmente de Óxidos Nitrosos (NO𝑥). La tecnología SCR se emplea para eliminar los NO𝑥 presentes en los gases de escape de un motor. El proceso de inyección de la solución de urea-agua (UWS) determina las condiciones iniciales para la mezcla y evaporación del fluido en el sistema de reducción catalítica selectiva. Para un correcto funcionamiento, el inyector UWS debe dosificar una cantidad adecuada de líquido en el tubo de escape para evitar la formación de depósitos y garantizar la eficiencia del post-tratamiento. Esta tarea requiere la caracterización hidráulica del inyector y de la evolución del spray. El objetivo de esta tesis es la comprensión de los procesos de inyección de solución urea-agua en condiciones de funcionamiento realistas, similares a las que se encuentran en un tubo de escape de motor. Para ello, este trabajo se centra en el desarrollo de nuevas instalaciones experimentales que permitan realizar la caracterización hidráulica combinando medidas de flujo de cantidad de movimiento y masa inyectada. Posteriormente, el chorro de UWS se visualiza aplicando técnicas ópticas a varios niveles de temperatura y flujo másico de aire, en un banco de pruebas diseñado para este propósito. En cuanto a la caracterización hidráulica del inyector de UWS, el método se basa en medir el flujo de cantidad de movimiento para comprender la influencia de diferentes variables como el fluido inyectado, la presión de inyección, entre otros. Las medidas se realizaron utilizando una instalación experimental desarrollada en CMT-Motores Térmicos para la determinación del flujo de cantidad de movimiento, la cual fue modificada para cumplir con los requisitos de operación de estos inyectores. Además, la masa inyectada se obtiene experimentalmente para las mismas condiciones de funcionamiento. La metodología propuesta permitió calcular el flujo másico de estos atomizadores de baja presión, así como el coeficiente de descarga, que son datos útiles para futuras actividades de modelado. Se diseñó una instalación experimental para estudiar la atomización del fluido UWS en condiciones similares a las del tubo de escape del motor. La evolución del spray se caracterizó desde el punto de vista macroscópico, desarrollando una metodología para la determinación de la penetración y del ángulo del chorro. El método se basa en la configuración óptica conocida como diffused-back-light en una configuración de campo lejano. La penetración del spray se dividió en dos zonas: el inicio del chorro y el cuerpo principal. Se observó que la parte inicial del spray inyectado no se ve particularmente afectada por la presión de inyección sino más bien por la temperatura de la camisa de enfriamiento del inyector. El proceso de atomización se investigó mediante la misma técnica de diagnóstico óptico, diffused-back-lighting, acoplado a una lente microscópica especial. Se cuantificó la distribución del diámetro de las gotas y la velocidad de las gotas (en los componentes axial y tangencial) del chorro, en diferentes niveles de presión de inyección y flujo de aire. Se empleó una cámara de alta velocidad para capturar las imágenes de la fase líquida, comparando las gotas de líquido atomizado en tres regiones diferentes del chorro. Como resultado de este estudio, se puede observar que una mayor presión de inyección produce más gotas con diámetros menores favoreciendo el proceso de atomización. / [CA] Noves tecnologies estan evolucionant, especialment components dels sistemes d'injecció, disseny de cambres de combustió, elements de posttractament, la hibridació, entre altres. Els sistemes de reducció catalítica selectiva (SCR) han sigut una de les claus per a aconseguir els objectius de les normatives d'emissions, especialment d'Òxids Nitrosos (NO𝑥). La tecnologia SCR s'empra per a eliminar els NO𝑥 presents en els gasos de fuita d'un motor. El procés d'injecció de la solució d'urea aigua (UWS) determina les condicions inicials per a la mescla i evaporació del fluid en el sistema de reducció catalítica selectiva. Per a un correcte funcionament, l'injector UWS ha de dosar una quantitat adequada de líquid en el tub d'escapament per a evitar la formació de depòsits i garantir l'eficiència del post-tractament. Aquesta tasca requereix la caracterització hidràulica de l'injector i de l'evolució de l'esprai. L'objectiu d'aquesta tesi és la comprensió dels processos d'injecció de solució urea-aigua en condicions de funcionament realistes, similars a les que es troben en un tub d'escapament de motor. Per a això, aquest treball se centra en el desenvolupament de noves instal·lacions experimentals que permeten realitzar la caracterització hidràulica combinant mesures de flux de quantitat de moviment i massa injectada. Posteriorment, el doll de UWS es visualitza aplicant tècniques òptiques a diversos nivells de temperatura i flux màssic d'aire, en un banc de proves dissenyat per a aquest propòsit. Quant a la caracterització hidràulica de l'injector de UWS, el mètode es basa a mesurar el flux de quantitat de moviment per a comprendre la influencia de diferents variables com el fluid injectat, la pressió d'injecció, la contrapressió i la temperatura del sistema sobre les característiques del flux. Les mesures es van realitzar utilitzant una instal·lació experimental desenvolupada en CMT-Motores Térmicos per a la determinació del flux de quantitat de moviment, la qual va ser modificada per a complir amb els requisits d'operació d'aquests injectors. A més, la massa injectada s'obté experimentalment per a les mateixes condicions de funcionament. La metodologia proposada va permetre calcular el flux màssic d'aquests atomitzadors de baixa pressió, així com el coeficient de descàrrega, que són dades útils per a futures activitats de modelatge. Es va dissenyar una instal·lació experimental per a estudiar l'atomització del fluid UWS en condicions similars a les del tub d'escapament del motor. L'evolució de l'esprai es va caracteritzar des del punt de vista macroscòpic, desenvolupant una metodologia per a la determinació de la penetració i de l'angle del doll. El mètode es basa en la configuració òptica coneguda com diffusedback-light en una configuració de camp llunyà. La penetració de l'esprai es va dividir en dues zones: l'inici del doll i el cos principal. Es va observar que la part inicial de l'esprai injectat no es veu particularment afectada per la pressió d'injecció sinó més aviat per la temperatura de la camisa de refredament de l'injector. El procés d'atomització es va investigar mitjançant la mateixa tècnica de diagnòstic òptic, diffused-back-lighting, acoblat a una lent microscòpica especial. Es va quantificar la distribució del diàmetre de les gotes i la velocitat de les gotes (en els components axial i tangencial) del doll, en diferents nivells de pressió d'injecció i flux d'aire. Es va emprar una càmera d'alta velocitat per a capturar les imatges de la fase líquida, comparant les gotes de líquid atomitzat en tres regions diferents del doll: la primera prop de l'eixida de la tovera i les altres dues a la regió desenvolupada de l'esprai, una alineada amb l'eix de l'injector i l'altra en la perifèria del mateix. Com a resultat d'aquest estudi, es pot observar que una major pressió d'injecció produeix més gotes amb diàmetres menors afavorint el procés d'atomització. / [EN] One of the sectors affected by the anti-pollution regulations is the transportation, since it is responsible for around 20% of the green house gases emissions production. New technologies are evolving, especially subsystems as fuel injection components, combustion design, after-treatment and hybridization. The SCR has been one of the most important to reach the emission targets, specially for Nitrous Oxides (NO𝑥). The SCR technology is employed in the elimination of the NO𝑥 present in the exhaust gases of a combustion engine. The injection process of the urea-water solution (UWS) determines the initial conditions for the mixing and evaporation of the fluid in the selective catalytic reduction system. For a proper operation, the UWS injector must dose an adequate amount of liquid into the exhaust pipe to avoid deposit formation and to guarantee the SCR system efficiency. This task requires the knowledge of the performance of the injector and the evolution of the spray. The goal of this thesis is the comprehension of the urea-water solution injection processes under realistic operating conditions, similar to those of an engine exhaust pipe. To this end, this work focuses on the development of new experimental facilities that enable to perform the hydraulic characterization combining momentum flux measurements and injected mass. Afterwards, the UWS jet is visualized by applying optical techniques at various levels of air temperature and mass flow, in a novel test rig designed for this purpose. Regarding to the hydraulic performance of the UWS injector, the approach is based on measuring the spray momentum flux in order to understand the influence of different variables as injected mass, injection pressure, back pressure and cooling temperature on the flow characteristics. The measurements were carried out using an experimental facility developed at CMT-Motores Térmicos for the determination of spray momentum flux, where the configuration of the system was customized to fulfill the injector operation requirements. Also, the injected mass is obtained experimentally for the same operating conditions. The proposed methodology allowed to calculate the mass flow rate of this low pressure atomizers and the discharge coefficients, which are useful data for future computer modeling activities. A dedicated test facility was designed to study UWS spray under conditions that resemble those of the engine exhaust pipe. The liquid spray evolution is characterized from the macroscopic point of view, developing a methodology for the determination of the spray penetration and spreading angle. The method is based on the optical setup known as back-light in a far-field configuration. The spray penetration was divided in two zones, the spray burst and the body, where it was observed that the initial part of the injected spray is not particularly affected by the injection pressure but was rather influenced by the cooling temperature of the injector. Besides, the liquid atomization process of the UWS dosing system is investigated using optical diagnosis through back-light imaging coupled with a special lens. The droplet diameter distribution and the droplet velocity (in the injector axial and tangential components) of the liquid spray are quantified under different air flow and injection pressure levels. A high-speed camera was used for capturing the liquid phase images, comparing the atomized liquid drops in three different regions of the plume: the first one near the nozzle exit, and the other two in the developed region of the spray, one aligned with the injector axis and the other at the spray periphery. The results of this study demonstrated that injection pressure produces more droplets with smaller diameters favoring the atomization process. / Moreno, AE. (2022). Experimental Study of the Urea-Water Solution Injection Process [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181637