Droplets as precursor are extensively applied in diverse fields of science and engineering. Various contributions are provided previously towards analysis of single phase and multi-phase droplets of single and multiple components. This thesis describes modelling of multi-phase (nano fluid) droplet vaporization. The evaporation of liquid phase along with migration of dispersed particles in two-dimensional plane within droplet is detailed using the governing transport equations along with the appropriate boundary and interface conditions. The evaporation model is incorporated with aggregate kinetics to study agglomeration among nano silica particles in base water. Agglomeration model based on population balance approach is used to track down the aggregation kinetics of nano particles in the droplet. With the simulated model it is able to predict different types of final structure of the aggregates formed as observed in experimental results available in literature. High spatial resolution in terms of agglomeration dynamics is achieved using current model. Comparison based study of aggregation dynamics is done by heating droplet in convective environment as well as with radiations and using different combination of heating and physical parameters. The effect of internal flow field is also analysed with comparative study using levitation and without levitation individually. For levitation, droplet is stabilized in an acoustic standing wave. It is also attempted to study the transformation of cerium nitrate to ceria in droplets when heated under different environmental conditions. Reaction kinetics based on modified rate equation is modelled along with vaporization in aqueous cerium nitrate droplet. The thermo physical changes within the droplet along with dissociation reaction is analysed under different modes of heating. The chemical conversion of cerium nitrate to ceria during the process is predicted using Kramers' reaction velocity equation in a modified form. The model is able to explain the kinetics behind formation of ceria within droplet at low temperatures. Transformation of chemical species is observed to be influenced by temperature and configuration of the system. Reaction based model along with CFD (computational fluid dynamics) simulation within the droplet is able to determine the rate of chemical dissociation of species and predict formation of ceria within the droplet. The prediction shows good agreement with experimental data which are obtained from literature.

Die Dissertation bietet eine umfassende Analyse des quasi-stationären und dynamischen Verhaltens des Bezugspegels in den Nullkammerpegelgefäßen hydrostatischer Füllstandsmesssysteme von Siedewasserreaktoren. Die bislang rein phänomenologisch beschriebenen Übergangsprozesse im Pegelgefäß werden experimentell untersucht und in ihrer Wirkung auf das Messsystem bewertet. Da der Bezugsfüllstand und die Temperaturpulsationen sicherheitsrelevante Messgrößen sind, wird ein Beitrag zur Reaktorsicherheit geleistet. Die neuartigen, nichtinvasiven Verfahren zur Messung der Phasenverteilung im Pegelgefäß liefern realistische, unverfälschte Messdaten. Die Validierung von Simulationscodes und die sicherheitstechnische Bewertung von Siedewasserreaktoren werden dadurch verbessert. Das im CFD-Code Ansys CFX 14 entwickelte und experimentell validierte Modell bietet eine wichtige Grundlage für die numerische Simulation des Füllstandsmesssystems in Ergänzung zu Experimenten und zur Einbindung in Systemsimulationen.

[ES] La creciente preocupación por los problemas medioambientales, la disponibilidad de combustibles fósiles unido a la gran demanda de vehículos, han llevado a los gobiernos a regular las emisiones emitidas a la atmósfera. Existen propuestas de adoptar fuentes de energía renovables. Sin embargo, la sustitución de los combustibles derivados del petróleo no será fácil, rápida o rentable, y el transporte propulsado por motores de combustión interna (ICE) seguirá destacando en los próximos años. La eficiencia de la combustión y el rendimiento del motor están influenciados por el complejo proceso de inyección. La inyección directa de gasolina (GDI) aumenta el ahorro de combustible y cumple los requisitos de emisiones contaminantes, aunque queda potencial por descubrir. Por ello, ha sido objeto de estudio en los últimos años y, en consecuencia, de la presente Tesis. Este trabajo tiene como motivación mejorar el entendimiento en el campo del GDI. La compleja naturaleza transitoria del proceso de inyección hace que el estudio experimental sea un desafío. La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) surge como una potente alternativa a los experimentos y ha sido adoptada para esta investigación. Bajo este contexto, el objetivo de la presente Tesis es desarrollar una metodología predictiva para la caracterización hidráulica del inyector, capaz de ser aplicada a las actuales y futuras generaciones de inyectores GDI, independientemente de las características del inyector y del software de estudio. Una vez validada, el objetivo posterior es utilizar los resultados para analizar el comportamiento del chorro. Este enfoque busca seguir los pasos de la comunidad científica sustituyendo la práctica experimental. La validación de la metodología se lleva a cabo mediante su aplicación en dos inyectores GDI solenoides multi-orificio diferentes. Además, se han utilizado dos códigos CFD comerciales: CONVERGE y StarCCM+. La metodología predictiva se centra en el estudio del flujo interno y el campo cercano para caracterizar hidráulicamente el inyector. El problema a tratar se define como un sistema multifásico en un marco Euleriano y considerando un único fluido. El tratamiento del flujo multifásico se realiza mediante el enfoque Volume-of-Fluid (VOF). Además, se emplea el Homogeneous Relaxation Model (HRM) para considerar el intercambio de masa entre las fases líquida y vapor debido a cavitación y flash boiling. La turbulencia se ha tratado a partir de los enfoques Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) y Large Eddy Simulations (LES). Por otro lado, en cuanto al estudio del flujo externo, se ha adoptado el Discrete Droplet Model (DDM). La atomización y el chorro están influenciados por la geometría de la tobera, por lo que la estrategia de acoplamiento del flujo interno y externo complementa los análisis. Se han adoptado enfoques de acoplamiento unidireccional y mapeado, utilizando como parámetros de entrada los datos de flujo interno de la validada metodología. Esta Tesis aporta una nueva y valiosa metodología predictiva con una elevada precisión a la hora de caracterizar el proceso de inyección en comparativa con datos experimentales. Por otro lado, es directamente trasferible a distintos códigos de cálculo así como aplicable a inyectores con características dispares sin perjudicar las exigencias del modelo. La correcta caracterización del flujo interno ha permitido emplear los datos obtenidos para analizar el comportamiento del chorro eliminando la necesidad de usar datos experimentales. Los resultados obtenidos capturan el comportamiento macroscópico del chorro con una precisión comparable a los experimentos. Aunque todavía hay muchos retos que afrontar, la presente Tesis supone un gran avance en el campo del GDI. El remarcable progreso se debe al desarrollo y uso de una metodología totalmente predictiva, que permite prescindir de la mayoría de los experimentos para contribuir a una mayor y más amplia visión de la física del proceso de inyección. / [CA] La creixent preocupació pels problemes ambientals, la limitada disponibilitat de combustibles fòssils, acompanyat a la gran demanda de vehicles, ha portat el govern a regular els nivells d'emissions emesos a l'atmosfera. Existeixen propostes d'adoptar fonts d'energia renovables. Tanmateix, la substitució dels combustibles líquids derivats del petroli no es durà a terme de forma fàcil, ràpida o rentable, i el transport propulsat per motors de combustió interna (ICE) continuarà destacant en els pròxims anys. L'eficiència de la combustió i el rendiment del motor són fortament influenciats pel complex procés d'injecció. La injecció directa de gasolina (GDI) augmenta l'estalvi de combustible i complix amb els requisits d'emissions, encara que queda molt potencial per descobrir. Per això, aquest ha sigut objecte d'investigació en els últims anys i, com a conseqüència, d'aquesta Tesi. Aquest treball té com a motivació millorar l'enteniment en el camp del GDI. La complexa natura transitòria de la injecció fa que l'estudi experimental siga força complex. La Mecànica de Fluids Computacional (CFD) sorgeix com una potent alternativa als experiments, i ha sigut adoptada per aquesta investigació. Baix aquest mateix context, es proposa com a objectiu principal d'aquesta Tesi el desenvolupament d'una metodologia predictiva per a la caracterització hidràulica de l'injector, capaç de ser aplicada a les actuals i futures generacions d'injectors GDI (independentment de les característiques de l'injector i del software d'estudi). Una vegada validada, el posterior objectiu és analitzar el comportament de l'esprai. Aquest enfocament busca seguir els passos de la comunitat científica substituint la pràctica experimental. La validació de la metodologia ha sigut duta a terme mitjançant la seva aplicació en dos injectors GDI solenoides multi-orifici. A més, s'han utilitzat dos software CFD comercials: CONVERGE i StarCCM+. La metodologia predictiva se centra en l'estudi del flux intern i el camp proper per tal de caracteritzar hidràulicament l'injector. El problema a tractar es defineix en base a un sistema multi-fàsic en un marc Eulerià i considerant un únic fluid. El tractament del fluid multi-fàsic es realitza mitjançant l'aproximació Volume-of-Fluid (VOF). A més, s'utilitza el Homogeneous Relaxation Model (HRM) per tal de considerar l'intercambi de massa entre les fases líquida i vapor degut als fenòmens de cavitació i flash boiling. La turbulència s'ha tractac a través dels enfocaments Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) i Large Eddy Simulations (LES). Pel que fa a l'estudi del fluix extern, s'ha adoptat el Discrete Droplet Model (DDM). Sent conscients que el comportament l'atomització i l'esprai estan influenciats per la geometria de la tovera, l'estratègia d'acoblament del flux intern i extern complementa les anàlisis. S'han adoptat els enfocaments d'acoblament unidireccional i mapejat, utilitzant com a paràmetres d'entrada les dades del flux intern obtingudes amb la validada metodologia. Aquesta Tesi aporta una nova i valuosa metodologia predictiva amb una elevada precisió a l'hora de caracteritzar el procés d'injecció en comparativa amb dades experimentals. És directament transferible a diversos codis de càlcul així com aplicable a injectors amb característiques dispars sense perjudicar les exigències del model. La correcta caracterització del flux intern ha permès utilitzar les dades obtingudes per tal d'analitzar el comportament de l'esprai, eliminant la necessitat d'emprar dades experimentals. Els resultats obtinguts d'aquest estudi capturen el comportament macroscòpic de l'esprai amb una precisió comparable als experiments. Encara que queden molts reptes per afrontar, aquesta Tesi aporta un important avanç al camp del GDI. La ruptura prové del desenvolupament i ús d'una metodologia completament predictiva, que substitueix els experiments requerits i així contribueix a una millor i més ampla visió de la física del procés d'injecció. / [EN] Concerns about climate change, availability of fuel resources and the high demand for vehicles, have led governments to regulate the level of pollution emitted by engines into the atmosphere. There is a strong desire to adopt renewable and sustainable energy sources. However, the substitution of liquid fuels derived from petroleum will not emerge easily, quickly or economically, and Internal Combustion Engines (ICE) will continue to excel for the next few years. Combustion efficiency and engine performance are strongly influenced by the complex fuel injection process. Gasoline Direct Injection (GDI) strategies increase fuel economy and meet emission requirements, although many challenges remain, which has therefore been one of the main research objectives in recent years and of this Thesis. The present research aims to provide a better understanding in the field of GDI. The transient and complex nature of the injection process makes the experimental study of GDI quite challenging. Therefore, Computational Fluid Dynamics (CFD) emerges as a powerful alternative adopted for this research. In this context, the main objective of the present Thesis is to develop a predictive methodology capable of being applied to current and future generations of GDI injectors, regardless of the injector features and the software employed, for the hydraulic characterization of the injector. Once validated, the subsequent goal is to employ the obtained results to analyze the behavior of the spray downstream of the injector. The approach attempts to follow the footsteps of the research community to avoid experimental practice. The predictive methodology has been validated through its application to two multi-hole solenoid GDI injectors with different features. In addition, the mentioned methodology has been evaluated using diverse commercial software: CONVERGE and StarCCM+. The methodology focuses on the study of the internal and near-field flow to hydraulically characterize the injector. So the problem to be addressed is a multi-phase system, performed in an Eulerian framework, modeled through a single-fluid approach. The multi-phase flow is treated by means of the Volume-of-Fluid (VOF) approach. Homogeneous Relaxation Model (HRM) is employed to consider the mass exchange between liquid and vapor fuel phases, due to cavitation and flash boiling. The turbulence treatment has been performed from both Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) approaches. Regarding the external flow study, the Discrete Droplet Model (DDM) has been adopted. In addition, being aware that atomization and spray behavior is greatly influenced by the nozzle geometry, the coupling strategy of the internal and external flow complements the analyses. One-way coupling and mapping approaches have been adopted, using as input parameters the internal flow data obtained from the already validated methodology. Accordingly, this Thesis provides a new and valuable predictive methodology, which has demonstrated a high accuracy in characterizing the flow behavior during the injection process through comparison with experimental data. It has also proven to be directly transferable to different CFD software and applicable to injectors with dissimilar characteristics without compromising the requirements of the model. The correct internal flow characterization has made it possible to employ the obtained data to analyze the spray patterns, which eliminates the need to consider experimental data. The outcomes of this study macroscopically capture the jet behavior with an accuracy comparable to experiments under different operating conditions. Although there are still many challenges to face, the present Thesis brings a breakthrough in the field of GDI. The quantum leap arises from the development and use of a fully predictive methodology, allowing to avoid most experiments to contribute to a greater and broader vision of the injection process physics. / María Martínez García has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2018/118 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference BEFPI/2020/057 the research carried out during the stay at Aerothermochemistry and Combustion Systems Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich, Switzerland. Special gratitude from the author to both institutions, Government of Generalitat Valenciana and the European Union, for making this dream possible / Martínez García, M. (2022). Computational Study of the Injection Process in Gasoline Direct Injection (GDI) Engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185180

[ES] El proceso de atomización primaria es el mecanismo por el cual una vena líquida se disgrega en un ambiente gaseoso. Este proceso está presente en muchas aplicaciones de ingeniería realizando diferentes tareas. En ocasiones es un paso previo antes de ser quemado, como en la industria energética o de propulsión, donde el objetivo es extraer la energía específica del líquido. En otros sectores, como el revestimiento o la extinción de incendios, el objetivo es maximizar el área cubierta por el chorro. Sin embargo, aunque la atomización es una parte fundamental de varios procesos industriales, está lejos de comprenderse por completo. El proceso de atomización es una mezcla de fenómenos de interacción gas-líquido dentro de un campo turbulento que tiene lugar en el campo cercano, que es la región más densa del chorro. Cuando se trata de arrojar luz sobre el proceso de atomización primaria, el problema principal es la falta de teorías físicas definitivas capaces de vincular los complejos eventos de ruptura con la turbulencia. El principal obstáculo que impide investigar el proceso de atomización primaria es la incapacidad de las técnicas ópticas clásicas para proporcionar información de la región densa del chorro. Solo en los últimos años, las nuevas técnicas basadas en rayos X podrían proporcionar nueva información sobre las características de la atomización cerca de la salida de la tobera. Esto también afecta a los modelos computacionales de atomización primaria que, al no disponer de información experimental sobre la región densa, requieren una calibración precisa de sus constantes para proporcionar resultados fiables en el campo lejano. Esta tesis se centra en mejorar el conocimiento del proceso de atomización primaria, especialmente en cómo las condiciones de inyección afectan el desarrollo del chorro en el campo cercano desde dos puntos de vista diferentes. Por un lado, con un enfoque computacional usando Direct Numerical Simulations y, por otro lado, experimentalmente usando Near-Field Microscopy. El estudio computacional se centra en variar los números de Reynolds y Weber de inyección. Los resultados muestran que aumentar el número de Reynolds mejora la desintegración del líquido, mostrando un aumento de las gotas generadas y una nube de gotas más fina. Sin embargo, la falta de un perfil turbulento de flujo de entrada completamente desarrollado conduce a comportamientos inesperados en la longitud de ruptura de la vena líquida que también aumenta con el número de Reynolds. El número de gotas también aumenta cuando aumenta el número de Weber, pero los tamaños característicos de las gotas siguen siendo los mismos. La longitud de ruptura no varía, lo que sugiere que las variaciones de la tensión superficial afectan la ruptura de las gotas y los ligamentos, pero no la desintegración del núcleo líquido en sí. Con los resultados obtenidos de ambos estudios, se propone un modelo fenomenológico que predice la distribución del tamaño de gota en función de las condiciones de inyección. Además, también se ha estudiado el efecto de usar toberas elípticas. Se ha obtenido que el número de gotas detectadas aumenta en comparación con el chorro redondo manteniendo ángulos de apertura del chorro similares. Sin embargo, cuando se utilizan toberas extremadamente excéntricas, la disminución de la turbulencia del flujo de entrada contrarresta los beneficios de este tipo de inyectores. En cuanto al análisis experimental, usar Near-Field Microscopy permite magnificar la región densa y analizar las características macroscópicas del chorro. Por lo tanto, se varían las presiones de inyección y descarga, centrándose en el ángulo de apertura del chorro. Se observa el aumento esperado en el ángulo al aumentar tanto la presión de inyección como la de descarga. Sin embargo, adicionalmente, se realiza un análisis de las perturbaciones del contorno del chorro, concluyendo que, al aumentar la presión de inyección, y por lo tanto la turbulencia del flujo de / [CA] El procés d'atomització primària és el mecanisme pel qual una vena líquida es disgrega en un ambient gasós. Aquest procés és present en moltes aplicacions d'enginyeria fent diferents tasques. De vegades és un pas previ abans de ser cremat, com ara en la indústria energètica o de propulsió, on l'objectiu és extraure l'energia específica del líquid. En altres sectors, com ara el revestiment o l'extinció d'incendis, l'objectiu és maximitzar l'àrea coberta pel doll. No obstant això, tot i que l'atomització és una part fonamental de diversos processos industrials, està lluny de comprendre's per complet. El procés d'atomització és una barreja de fenòmens d'interacció gas-líquid dins d'un camp turbulent que té lloc en el camp pròxim, que és la regió més densa del doll. Quan es tracta de donar llum sobre el procés d'atomització primària, el problema principal és la falta de teories físiques definitives capaces de vincular els complexos esdeveniments de trencament amb la turbulència. El principal obstacle que impedeix investigar el procés d'atomització primària és la incapacitat de les tècniques òptiques clàssiques per a proporcionar informació de la regió densa del doll. Només en els últims anys, les noves tècniques basades en raigs X podrien proporcionar nova informació sobre les característiques de l'atomització prop de l'eixida de la tovera. Això també afecta els models computacionals d'atomització primària que, en no disposar d'informació experimental sobre la regió densa, requereixen un calibratge precís de les seues constants per a proporcionar resultats fiables en el camp llunyà. Aquesta tesi se centra a millorar el coneixement del procés d'atomització primària, especialment en com les condicions d'injecció afecten el desenvolupament del doll en el camp pròxim des de dos punts de vista diferents. D'una banda, amb un enfocament computacional usant Direct Numerical Simulations i, d'altra banda, experimentalment usant Near-Field Microscopy. L'estudi computacional se centra a variar els nombres de Reynolds i Weber d'injecció. Els resultats mostren que augmentar el nombre de Reynolds millora la desintegració del líquid, tot mostrant un augment de les gotes generades i un núvol de gotes més fi. No obstant això, la falta d'un perfil turbulent de flux d'entrada completament desenvolupat condueix a comportaments inesperats en la longitud de ruptura de la vena líquida que també augmenta amb el nombre de Reynolds. El nombre de gotes també augmenta quan creix el nombre de Weber, però les grandàries característiques de les gotes continuen sent les mateixes. La longitud de ruptura no varia, la qual cosa suggereix que les variacions de la tensió superficial afecten la ruptura de les gotes i els lligaments, però no la desintegració del nucli líquid en ell mateix. Amb els resultats obtinguts de tots dos estudis, es proposa un model fenomenològic que prediu la distribució de la grandària de gota en funció de les condicions d'injecció. A més, també s'ha estudiat l'efecte d'usar toveres el·líptiques. S'ha obtingut que el nombre de gotes detectades augmenta en comparació amb el doll redó tot mantenint angles d'obertura del doll similars. No obstant això, quan s'utilitzen toveres extremadament excèntriques, la disminució de la turbulència del flux d'entrada contraresta els beneficis d'aquesta mena d'injectors. Quant a l'anàlisi experimental, usar Near-Field Microscopy permet magnificar la regió densa i analitzar les característiques macroscòpiques del doll. Per tant, es varien les pressions d'injecció i descàrrega, tot centrant-se en l'angle d'obertura del doll. S'observa l'augment esperat en l'angle en augmentar tant la pressió d'injecció com la de descàrrega. No obstant això, addicionalment, es realitza una anàlisi de les pertorbacions del contorn del doll i es conclou que en augmentar la pressió d'injecció, i per tant la turbulència del flux d'entrada, augmenten les pertorbacions en el contorn del ruixat, especialment a pressions de descàrrega mé / [EN] The primary atomisation process is the mechanism by which a liquid vein breaks into droplets in a gaseous ambient. This process is present in many engineering applications accomplishing different tasks. Sometimes it is a previous step before being burned, as in the energy or propulsion industry, where the objective is to extract the specific energy of the liquid. In other sectors, such as the coating or fire extinction, the objective is to maximise the area covered by the droplet cloud. However, although atomisation is a fundamental part of several industrial processes, it is far from fully understood. The atomisation process is a mixture of gas-liquid interaction phenomena within a turbulent field that takes place in the near-field, which is the denser region of the spray. When trying to shed light on the primary atomisation process, the main issue is the lack of definitive physical theories able to link the complex breakup events and the turbulence. The principal impediment that prevents the investigation from breaking through the atomisation process is the inability of the classic optical techniques to provide information from the dense region of the spray. Only in the last years, newer techniques based on X-Ray could provide new information on spray characteristics near the nozzle outlet. This also affects the computational primary atomisation models that, as there is no available experimental information on the dense region, require an accurate calibration of their constants to provide reliable results on the far-field. This thesis focuses on improving the knowledge of the primary atomisation process, especially on how the injection conditions affect the spray development in the near field from two different standpoints. On the one hand, with a computational approach using Direct Numerical Simulations and on the other hand, experimentally using Near-Field Microscopy. The computational study is focused on varying the inflow Reynolds and Weber numbers. Results show that increasing the Reynolds number improves the liquid disintegration, exhibiting an increase of generated droplets and a finer droplet cloud. However, the lack of a fully developed inflow turbulent profile leads to characteristic behaviours on the breakup length of the spray that also increases with the Reynolds number. The number of droplets increases when the Weber number increases, but the characteristic droplet sizes remain the same. The breakup length does not vary, suggesting that the surface tension variations affect the droplet and ligament breakup but not the core disintegration itself. With the results obtained from both studies, a phenomenological model is proposed to predict the droplet size distribution depending on the injection conditions. Additionally, using elliptical nozzles, the number of detected droplets increases compared with the round spray and maintain similar spray apertures. However, when using extremely eccentric nozzles, the inflow turbulence decrease counteracts the elliptical sprays' benefits. Regarding the experimental analysis, the Near-Field Microscopy magnifies the dense region and analyses the macroscopic features on the spray. So the injection and discharge pressure are varied, and the spotlight is put on the spray angle. The expected increase in the spray angle when increasing both the injection and discharge pressure is observed. Nevertheless, additionally, an analysis of the spray contour perturbations is performed, concluding that increasing the injection pressure, and thus the inflow turbulence, increases the perturbations on the spray contour, especially at lower discharge pressures. / González Montero, LA. (2022). Computational and Experimental Study of the Primary Atomisation Process under Different Injection Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190635

Tesis por compendio / [ES] El flujo anular es uno de los regímenes de flujo bifásico más importantes y se caracteriza por que una fracción de líquido muy pequeña conocida como película de líquido que viaja cerca de la pared y un núcleo gaseoso. El flujo anular se puede observar durante la operación de plantas nucleares y en diferentes escenarios transitorios, aunque también en muchas otras aplicaciones industriales. La película de líquido es determinante en muchas de ellas ya que posee una alta capacidad de transferencia de masa, momento y energía. Parte de estas propiedades se deben a que la película presenta un comportamiento interfacial no linear con desarrollo de ondas interfaciales. Además, en determinadas instalaciones donde se la película de líquido actúa como refrigerante, es esencial conocer su comportamiento tanto por motivos de optimización como por razones de seguridad. Para estudiar los fundamentos del comportamiento de la película de líquido se han llevado a cabo una serie de experimentos en una instalación diseñada para generar flujo anular aire-agua en tubería circular vertical. En esta instalación se ha medido la evolución temporal del espesor de la película de líquido bajo diferentes condiciones y subrégimenes, como flujo en caída libre o flujo en cocorriente ascendente y descendente. El sistema de medida empleado se ha diseñado y construido para esta aplicación y consiste en sondas de conductancia de 3 electrodos rasantes a la pared y dispuestas en diferentes partes de la sección de test. Tanto el sistema electrónico como el dispositivo de calibración se diseñaron específicamente para trabajar con estas son-das de conductancia. La instalación cuenta con dos diámetros diferentes para poder comparar también el efecto del diámetro de la tubería así como aumentar el rango de medidas disponibles en bases de datos. Una de las características más particulares de la película de líquido son sus ondas interfaciales. Las principales ondas que se pueden diferenciar son las disturbance waves, ondas coherentes de gran calibre; y las ripple waves, ondas de pequeño tamaño, no coherentes que se generan constantemente antes de desaparecer al ser absorbidas por otras ondas. Las variables principales de la película de líquido que se han analizado en la instalación experimental son el espesor medio, la altura y frecuencia de las disturbance waves, la altura de las ripple waves y la altura de líquido no perturbado. Se han lleva-do a cabo diferentes estudios experimentales con objeto de añadir un valor adicional a las medidas. Para flujo anular descendente se ha estudiado el desarrollo de la película a través de diferentes zonas de medida y se han comparado las secciones de test de diferente diámetro. Además, múltiples correlaciones se han propuesto y los resultados se han comparado con estudios similares de otros autores. Para el análisis del flujo anular ascendente, se ha añadido un estudio del efecto de la tensión superficial en las variables de la película de líquido mediante la adición de pequeñas cantidades de 1-butanol. Es objeto de esta tesis también la modelación del flujo anular mediante análisis numérico. Los códigos de fluidodinámica computacional (CFD) son herramientas computacionales que permiten analizar el comportamiento de los fluidos. Han experimentado una fuerte evolución a lo largo de los últimos años gracias a los avances tecnológicos y los resultados que se obtienen de su correcta utilización son muy prometedores. No obstante, el flujo multifásico sigue siendo difícil de modelar y es necesario contrastar las predicciones de los códigos CFD con medidas experimentales. Por lo tanto, la fenomenología de flujo anular desarrollado se ha estudiado también mediante el código ANSYS CFX. Existe un importante vacío de conocimiento en la cuantificación de la incertidumbre (UQ) de dichos códigos CFD. Esta tesis también presenta los fundamentos del método UQ Polynomial Chaos Expansion (PCE) aplicado a dos casos prácticos. / [CA] El flux anular és un dels règims de flux bifàsic més importants i es caracteritza perquè la fracció de líquid és molt xicoteta coneguda com a pel·lícula de líquid. El flux anul·lar es pot observar durant l'operació de plantes nuclears i en diferents escenaris transitoris, encara que també en moltes altres aplicacions industrials. La pel·lícula de líquid és determinant en moltes d'elles ja que posseeix una alta capacitat de transferència de massa, moment i energia. Part d'aquestes propietats es deuen al fet que la pel·lícula presenta un comportament interfacial no linear amb desenvolupament d'ones interfacials. A més, en determinades instal·lacions on li la pel·lícula de líquid actua com a refrigerant, és essencial conéixer el seu comportament tant per motius d'optimització com per raons de seguretat. Per a estudiar els fonaments del comportament de la pel·lícula de líquid s'han dut a terme una sèrie d'experiments en una instal·lació dissenyada per a generar flux anular aïre-aigua en canonada circular vertical. En aquesta instal·lació s'ha mesurat l'evolució temporal de la grossària de la pel·lícula de líquid sota diferents condicions i subrégimenes, com a flux en caiguda lliure o flux en cocorriente ascendent i descendent. El sistema de mesura emprat s'ha dissenyat i construït per a aquesta aplicació i consisteix en sondes de conductància de 3 elèctrodes i disposades en diferents parts de la secció de test. Tant el sistema electrònic com el dispositiu de calibratge es van dissenyar específicament per a treballar amb aquestes sondes de conductància. La instal·lació compta amb dos diàmetres diferents per a poder comparar també l'efecte del diàmetre de la canonada així com augmentar el rang de mesures disponibles en bases de dades. Una de les característiques més particulars de la pel·lícula de líquid són les seues ones interfacials. Les principals ones que es poden diferenciar són les disturbance waves, ones coherents de gran calibre; i les ripple waves, ones de xicoteta grandària, no coherents que es generen constantment abans de desaparéixer en ser absorbides per altres ones. Les variables principals de la pel·lícula de líquid que s'han analitzat en la instal·lació experimental són la grossària mitjana, l'altura i freqüència de les disturbance waves, l'altura de les ripple waves i l'altura de líquid no pertorbat. S'han dut a terme diferents estudis experimentals a fi d'afegir un valor addicional a les mesures. Per a flux anul·lar descendent s'ha estudiat el desenvolupament de la pel·lícula a través de diferents zones de mesura i s'han comparat els diferents diàmetres. A més, múltiples correlacions s'han proposat i els resultats s'han comparat amb estudis similars d'altres autors. Per a l'anàlisi del flux anul·lar ascendent, s'ha afegit un estudi de l'efecte de la tensió superficial en les variables de la pel·lícula de líquid mitjançant l'addició de xicotetes quantitats de 1-butanol. És objecte d'aquesta tesi també el modelatge del flux anul·lar mitjançant anàlisi numèrica. Els codis de fluidodinámica computacional (CFD) són eines computacionals que permeten analitzar el comportament dels fluids. Han experimentat una forta evolució al llarg dels últims anys gràcies als avanços tecnològics i els resultats que s'obtenen de la seua correcta utilització són molt prometedors. No obstant això, el flux multifásico continua sent difícil de modelar i és necessari contrastar les prediccions dels codis CFD amb mesures experimentals. Per tant, la fenomenologia de flux anular desenvolupat s'ha estudiat també mitjançant el codi ANSYS CFX. Existeix un important buit de conei-xement en la quantificació de la incertesa d'aquests codis CFD. En aquesta tesi es mostren els fonaments del Polynomial Chaos Expansion (PCE) com a mètode per a calcular la incertesa dels resultats de simulació mitjançant propagació. El PCE per quadratura de Gauss-Hermite s'ha aplicat a les simulacions de dos experiments. / [EN] Annular flow is one of the most important two-phase flow regimes and is characterized by a very small liquid fraction known as a liquid film travelling close to the wall and a gas core. Annular flow can be observed during the operation of nuclear plants, in different transient scenarios, and many other industrial applications. The liquid film is decisive in many of them as it has a high mass, momentum and energy transfer capacity. Many of these properties are due to the film exhibiting nonlinear interfacial behavior with the generation of interfacial waves. In addition, in certain facilities where the liquid film acts as a coolant, it is essential to know its behavior both for optimization and safety reasons. In order to study the fundamentals of the liquid film, a series of experiments have been carried out in a facility designed to generate air-water annual flow in a vertical circular pipe. In this facility, the time evolution of the liquid film thickness has been measured under different conditions and sub-regimes, such as free-fall flow or upward and downward cocurrent flow. The measurement system used has been designed and built for this application and consists of 3-electrode conductance probes mounted flush to the wall and arranged at different distances from the entrance of the test section. Both the electronics and the calibration device were specifically designed to work with these conductance probes. The facility has two different diameters to compare the effect of the pipe diameter and increase the range of measurements available in databases. One of the main characteristics of the liquid film is its interfacial waves. The two primary types of waves that can be distinguished are the disturbance waves, which are large coherent waves, and the ripple waves, small, non-coherent waves that are constantly generated before disappearing when absorbed by other waves. The main variables of the liquid film analyzed in the experimental setup are the mean film thickness, the height and frequency of the disturbance waves, the height of the ripple waves and the height of the unperturbed liquid. Different experimental studies have been carried out to add additional value to the measurements. For downward annular flow, the development of the film through different measuring zones has been studied, and the different test section diameters have been compared. In addition, multiple correlations have been proposed, and the results have been compared with similar studies by other authors. To analyze the upward annular flow, a study of the effect of surface tension on the liquid film variables by adding small amounts of 1-butanol has been added. The modelling of annular flow by numerical analysis is also the subject of this thesis. Computational Fluid Dynamics (CFD) codes are computational tools that allow the analysis of fluid behavior. They have undergone a strong evolution over the last few years thanks to technological advances, and the results obtained from their correct use are very promising. However, multiphase flow remains challenging to model, and it is necessary to contrast the predictions of CFD codes with experimental measurements. Therefore, the developed annular flow phenomenology has also been studied using the ANSYS CFX code. There is a significant knowledge gap in the uncertainty quantification of CFD codes. Some methodologies are available, although many are in the early stages or have not been explored by researchers. All applications of CFD codes in nuclear safety require extensive knowledge of the uncertainty of the predictions, so developing these methodologies is crucial. This thesis shows the fundamentals of Polynomial Chaos Expansion (PCE) as a method to calculate the uncertainty of simulation results by propagation. The PCE by Gauss-Hermite quadrature has also been applied to the simulations of two experiments: the experimental setup of this thesis, and an international benchmark. / I would like to acknowledge the support provided by the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad and the Agencia Nacional de Investigación under the FPI grant BES-2017-080031, which provided funding for my research. / Rivera Durán, Y. (2023). Experimental and Modelling Study of Interfacial Phenomena in Annular Flow with Uncertainty Quantification [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194606 / Compendio

[ES] La contaminación acústica se ha convertido en una causa de importantes problemas de salud, como alteraciones del sueño, cardiovasculares o cognitivas. En áreas urbanas, los altos valores del ruido debido al transporte y a otras actividades humanas pueden ser especialmente dañinos. Se trata de un tema de estudio abierto, debido a la amplia naturaleza del ruido y su gama de posibles fuentes (y, por lo tanto, las posibles soluciones para paliar cada una de ellas). Esta tesis se centra en la minimización del (i) ruido del sistema de escape, que puede abordarse mediante el uso de silenciadores (que a su vez tienen otras aplicaciones, como en los sistemas HVAC, es decir, calefacción, ventilación y aire acondicionado), así como del (ii) ruido y las vibraciones generales causados por el transporte, como por ejemplo el ruido de rodadura de los ferrocarriles, y el uso de barreras acústicas para mitigarlo. Por un lado, los silenciadores (que se pueden dividir en configuraciones reactivas, disipativas e híbridas) fueron adoptados hace tiempo en la línea de escape, pero también se ha extendido el uso de convertidores catalíticos y filtros de partículas diésel, los cuales, si bien su uso responde a razones medioambientales más que de reducción del ruido, tienen un impacto en el rendimiento acústico del sistema de escape. En este punto, se revisan diversas técnicas para la simulación numérica de la propagación del sonido dentro de conductos y demás dispositivos mencionados, y se proponen varios esquemas de optimización para la minimización de la transmisión del ruido. Esto incluye (i) la optimización dimensional de los silenciadores (incluidas las cámaras reactivas y disipativas), (ii) la optimización topológica del material disipativo (su distribución de densidad) dentro de la cámara disipativa y (iii) la optimización dimensional de los dispositivos de postratamiento de escape (convertidores catalíticos y filtros de partículas diésel). Por otro lado, el apantallamiento acústico tiene una amplia gama de aplicaciones, como las barreras acústicas de tráfico, carenados de ruedas de trenes o incluso revestimientos de conductos HVAC. En este punto, se requiere acoplar los problemas acústico y elástico en el contorno aire-estructura para obtener el problema vibroacústico. Aquí se plantea una formulación híbrida en desplazamiento-presión y se aplica a varios casos prácticos, con el fin de obtener diseños elásticos acústicamente optimizados. / [CA] La contaminació acústica s'ha convertit en una causa d'importants problemes de salut, com ara alteracions del son, cardiovasculars o cognitives. En àrees urbanes, els alts valors del soroll degut al transport i a altres activitats humanes poden ser especialment nocius. Es tracta d'un tema d'estudi obert, a causa de l'àmplia naturalesa del soroll i la gamma de possibles fonts (i, per tant, les possibles solucions per pal·liar cadascuna). Aquesta tesi se centra en la minimització del (i) soroll del sistema d'escapament, que es pot abordar mitjançant l'ús de silenciadors (que alhora tenen altres aplicacions, com en els sistemes HVAC, és a dir, calefacció, ventilació i aire condicionat), així com del (ii) soroll i les vibracions generals causats pel transport, com ara el soroll de rodament dels ferrocarrils, i l'ús de barreres acústiques per mitigar-lo. D'una banda, els silenciadors (que es poden dividir en configuracions reactives, dissipatives i híbrides) van ser adoptats fa temps a la línia d'escapament, però també s'ha estès l'ús de convertidors catalítics i filtres de partícules dièsel, els quals, si bé el seu ús respon a raons mediambientals més que de reducció del soroll, tenen un impacte en el rendiment acústic del sistema d'escapament. En aquest punt, es revisen diverses tècniques per a la simulació numèrica de la propagació del so dins de conductes i altres dispositius esmentats, i es proposen diversos esquemes d'optimització per minimitzar la transmissió del soroll. Això inclou (i) l'optimització dimensional dels silenciadors (incloses les càmeres reactives i dissipatives), (ii) l'optimització topològica del material disipatiu (la distribució de densitat) dins de la càmera disipativa i (iii) l'optimització dimensional dels dispositius de posttractament d'escapament (convertidors catalítics i filtres de partícules dièsel). D'altra banda, l'apantallament acústic té una àmplia gamma d'aplicacions, com ara les barreres acústiques de trànsit, carenats de rodes de trens o fins i tot revestiments de conductes HVAC. En aquest punt, cal acoblar els problemes acústic i elàstic al contorn aire-estructura per obtenir el problema vibroacústic. Aquí es planteja una formulació híbrida en desplaçament-pressió i s'aplica a diversos casos pràctics per obtenir dissenys elàstics acústicament optimitzats. / [EN] Noise pollution has become a cause of major health problems, such as sleep, cardiovascular or cognitive alterations. In urban areas, the high values of transport and other human-activity-related noise can be especially harmful. This issue is a large subject of study, due to the broad nature of noise and its range of possible sources (and therefore the potential solutions to alleviate each of them). This Thesis focuses on the minimization of (i) exhaust system noise, which can be addressed by the use of mufflers (which in turn have other applications, such as in HVAC systems, i.e., heating, ventilation, and air conditioning), and (ii) general noise and vibration caused by transport, such as railway rolling noise, and the use of sound barriers to alleviate it. On the one hand, mufflers (which can be divided into reactive, dissipative, and hybrid configurations) were long ago adopted in the exhaust line, but also the use of catalytic converters and diesel particulate filters has become spread, and, while their use responds to environmental rather than noise reduction reasons, they have an impact in the acoustic performance of the exhaust system. Diverse techniques for the modelling of sound propagation within ducts and the other aforementioned devices are reviewed, and several optimization schemes are proposed for the minimization of noise transmission. This includes (i) the sizing optimization of mufflers (including reactive and dissipative chambers), (ii) the topology optimization of the dissipative material (its density layout) within the dissipative chamber, and (iii) the sizing optimization of exhaust aftertreatment devices (catalytic converters and diesel particulate filters). On the other hand, sound barriers have a wide range of applications, such as traffic noise barriers, train wheel fairings or even HVAC duct coatings. At this point, it is required to pair the acoustic and the elastic problems at the air-structure boundary to obtain the vibroacoustic problem. A hybrid displacement-pressure formulation is recalled here and applied to several case studies, in order to obtain acoustically-optimized elastic designs. / Ferrándiz Catalá, B. (2023). Development of topology optimization techniques for noise pollution minimization in acoustic and fluid-structure problems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/197985

[ES] La creciente preocupación sobre el efecto de la emisión de gases nocivos provenientes de motores de combustión interna alternativos (ICE) a la atmósfera ha llevado a los gobiernos a lo ancho del planeta a limitar la cantidad de dichas emisiones, particularmente en Europa a través de las normas EURO. La dificultad en cumplir dichas limitaciones ha llevado a la industria automovilística a cambiar el foco de motores de encendido por compresión (CI) o provocado (SI) hacia la electrificación o los combustibles libres de carbono. Sin embargo, esta transición no se puede llevar a cabo de manera sencilla en el corto y medio plazo, mientras que combustibles libres de carbono como el Hidrógeno (H2 ) o el Amoniaco (NH3 ) siguen produciendo algunos contaminantes como los Óxidos de Nitrógeno (NOx ), con los cuales hay que lidiar. Estas emisiones pueden ser particularmente dañinas para el ser humano ya que incrementan el riesgo de cáncer de pulmón. La Reducción Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrado ser una tecnología eficaz para la reducción de este contaminante en particular. A través de una inyección de una Solución de Urea-Agua, junto con la energía térmica de los gases de escape, se genera una cantidad suficiente de NH 3 capaz de neutralizar los indeseados NOx en un catalizador de reducción. Con la inclusión de los SCR en automóviles ligeros además de su presencia tradicional en automóviles pesados, los SCR han sido el foco de la comunidad científica para mejorar el entendimiento de su principio de actuación, y mejorar su eficiencia en un entorno legislativo en el que los limites de emisión se han estrechado enormemente. Esta Tesis intenta ser parte de ese esfuerzo científico en caracterizar el proceso de inyección de UWS en su totalidad a través de un entorno computacional. El presente estudio tiene como objetivo proveer de un mejor entendimiento del proceso de atomización y degradación sufrido por los chorros de UWS. Las dinámicas no estacionarias que se dan lugar en la zonas cercana del chorro, añadido a la gran influencia de las características internas del inyector sobre el desarrollo del spray hacen que los métodos experimentales sean complicados para poder entender dicho proceso. Por otro lado, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) presenta una alternativa. Para el propósito de esta Tesis, el CFD ha sido utilizado para caracterizar los sprays de SCR. Se intenta desarrollar y seleccionar los modelos más apropiados a chorros de baja velocidad, y establecer un conocimiento Una vez adquiridos dichos métodos, los mecanismos principales de rotura del chorro y de degradación de la urea se han analizan. En ese sentido, el uso de técnicas experimentales podrían ser sustituídos en el futuro para esta aplicación. Los métodos CFD son validados tanto en el campo cercano como en el lejano. Para el campo cercano, el tratamiento multi-fase se lleva a cabo a través de métodos de Modelo de Mezclas, o el método Volume-Of-Fluid. A través de ellos, la caracterización hidráulica de dos reconstrucciones del inyector de UWS se lleva a cabo. Subsiguientes análisis se llevan a cabo sobre las dinámicas de rotura de la vena líquida, descubriendo que mecanismos rigen el proceso. El estudio de campo lejano usa un Discrete Droplet Model (DDM) para lidiar con las fases líquidas y gaseosas. En él, la evaporación del agua y el proceso de termólisis de la urea han sido considerados y comparados con resultados experimentales con el fin de obtener una metodología fiel para su caracterización. Todo el conocimiento adquirido se aplica más tarde a un Close-Coupled SCR, en el cual condiciones de trabajo realista han sido consideradas. Además, una herramienta llamada Maximum Entropy Principle (MEP) es presentada. Por tanto, esta Tesis aporta una metodología valiosa capaz de predecir tanto el campo cercano como el lejano de chorros de UWS de una manera precisa. / [CA] La creixent preocupació sobre el efecte de l'emissió de gasos nocius provenients the motors de Combustió Interna Alternatius (ICE) a l'atmosfera ha dut als governs de tot el planeta a limitar la quantitat d'aquestes emisions, particularment a Europa mitjant les normes EURO. La dificultat de complir aquestes limitacions ha portat a l'industria automovilística a cambiar el focus de motors d'encedut per compresió (CI) o provocat (SI) cap a la electrificació o els combustibles lliures de carbó. No obstant això, aquesta transició no es pot dur a terme de manera senzilla , mentres que els combustibles lliures de carbó como l'Hidrogen (H2 ) o l'Amoniac (NH3 ) seguirien produint contaminants como els Óxids de Nitrogen (NOx ), amb els quals n'hi ha que bregar. Estes emissions poden ser particularment nocives per a l'esser humà ja que incrementen el risc de càncer de pulmó. La Reducció Catalítica Selectiva (SCR) ha demostrat ser una tecnología eficaç per a la reducció d'este contaminant en particular. Mitjançant una injecció d'una Solució D'Urea i Aigua, junt a l'energía térmica dels gasos d'fuita, es pot generar una quantitat suficiente de NH 3 capaç de neutralitzar els indesitjats NO x a un catalitzador de reducció. Amb l'inclusió dels SCR en automòvils lleugers a més de la seua tradicional presència en automòvils pesats, els SCR han segut el foc per a mijorar l'enteniment del seu principi d'actuació, i mijorar la seua eficiencia. Este estudi té como a objectiu proveir d'un mijor entenement del procés d'atomizació y degradació patit pels dolls de UWS. Les dinàmiques no estacionaries que es donen lloc en la zona propenca al doll, afegit a la gran influència de les característiques internes del injector sobre el desentroll de l'esprai, fan que els métods experimentals siguen complicats d'aplicar per entendre dit procés. Per un altre costat, la Mecànica de Fluïts Computacional (CFD) supon una alternativa que té certes avantatges. Per al propòsit d'esta Tesi, el CFD ha sigut utilitzat com la principal metodología per a caracteritzar elsesprais de SCR. Per mitjà de dits métodes, la Tesi vol desentrollar i seleccionar els models més apropiats que mitjos s'adapten a sprays de baixa velocitat, i establir un coneiximent per a posteriors estudis desentrollats sobre la mateixa temàtica. Una volta adquirits dits métodes, els mecanismes principals de trencament del doll, així com els de degradació de l'urea en amoníac s'analitzaran. En aquest sentit, l'us de técniques experimentals podría no ser utilitzat més en el futur per aquesta aplicació.Els métods CFD son aplicats i validats tant el el camp propenc com en el llunyà. Per al camp propenc, el tractament multi-component es porta a terme a través de métodes Eulerians-Eulerians, com el Model de Mescles, o el métode Volume-Of-Fluid. La caracterització hidràulica de dos reconstruccions de l'injector es porta a terme, els resultats del qual són comparats amb resultats experimentals. Subsegüents anàlisis es porten a terme sobre les dinàmiques de trencament de la vena líquida, descobrint qué mecanismes regeixen el procés. L'estudi de camp llunyà usa un Discrete Droplet Model (DDM) per a bregar en la fase líquida i gaseosa. En ell, l'evaporació del aigua y el procés de termòlisis de l'urea han sigut considerats i comparats amb el resultats experimentals amb la finalitat d'obtindre una metodología fidel per a la seua caracterització. Tot el coneixement obtingut s'aplica més tard a un Close-Coupled SCR, en el qual condicions de treball realistes han sigut considerades. Dels resultats obtinguts dels distints estudis, una ferramenta adicional anomenada Maximum Entropy Principle (MEP),capaç de predir el fenomen d'atomització dels doll de UWS sense la necessitat de realitzar simulacions del camp propenc, es presentat. Per tant, esta Tesi aporta una metodología capaç de predir tant el camp proper como el llunyà d'una manera precisa. / [EN] The increasing awareness of the effect of emitting harmful gases from Internal Combustion Engines (ICE) into the atmosphere has driven the governments across the globe to limit the amount of these emissions, par ticularly in Europe through the EURO norms. The difficulty to meet such limitations has driven the automotive industry to shift from traditional Compression Ignited (CI) or Spark Ignited (SI) engines toward electrification or carbon-free fuels. Nonetheless, this transition will not be easily done in the short and medium time frames, while carbon-free fuels such as Hydrogen (H2 ) and Ammonia (NH3 ) will keep producing certain pollutants such as Nitrogen Oxides (NOx ) which need taking care of. These emissions can be particularly hazardous for humans, increasing the risk of developing lung cancer. Selective Catalytic Reduction (SCR) is an effective technology for reducing this specific ICE contaminant. An injection of a Urea-Water Solution (UWS), together with the thermal energy of the combustion gases can generate a sufficient amount of NH 3 capable of neutralizing the unwanted NO x in a catalyst. With the fitting of SCR systems within light-duty applications, in addition to their traditional presence on heavy-duty usage, SCR has been on the focus to understand their working principle and improve their efficiency . This Thesis tries to become part of that scientific ensemble by characterizing the whole UWS injection process within a computational framework. The present research aims to provide a better understanding of the atomizing and degradation processes undergone by the UWS sprays. The transient dynamics taking place in the near-field region, added to the great influence of the inner-injector characteristics on the development of the spray make experimental approaches on such sprays challenging in providing such knowledge. Computational Fluid Dynamics (CFD) provide an alternative that has certain advantages. For this Thesis they have been adopted as the main methodology on characterizing SCR sprays. The Thesis tries to develop and select the appropriate models that best suit low-velocity sprays. With the suitable methods that best predict these sprays, the main jet breakup mechanisms, together with the urea-to-ammonia transformation will have their behavior analyzed. In that way, experimental techniques could be avoided for such applications. CFD is applied and validated both in the near-field and far-field regions. For the near-field, multi-component flows are treated through Eulerian-Eulerian such as the Mixture Model or the Volume-Of-Fluid method. Through them, a hydraulic characterization on two recon structions of the UWS injector is performed, with results compared with experimental data. Further analysis is done on the jet-to-droplet dynamics, assessing which mechanisms drove the process. The far-field analy sis uses a Discrete Droplet Model (DDM) for dealing with the gas and liquid phases. In it, the evaporation of water and the thermolysis process of the urea have been considered and again compared with experimental results to have a faithful methodology for its characterization. All the acquired knowledge has been later applied to a commercial Close-Coupled SCR, in which real-working conditions have been considered. From the results obtained from several studies, an additional tool called Maximum Entropy Principle (MEP), capable of predicting the UWS spray atomization phenomenon without the need to perform near-field simulations, has been provided. Accordingly, this Thesis provides a valuable methodology capable of predicting the near-field and far-field dynamics accurately thanks to its validation against experimental results from literature. Additionally, the MEP tool can be used independently for computational and experimental works to predict the performance of UWS atomizers.The work carried out presents a significant leap in the application of CFD tools in predicting low-velocity sprays. / Javier Marco Gimeno has been founded through a grant from the Government of Generalitat Valenciana with reference ACIF/2020/259 and financial support from the European Union. These same institutions, Government of Generalitat Valenciana and The European Union, supported through a grant for pre-doctoral stays out of the Comunitat Valenciana with reference CIBEFP/2021/11 the research carried out during the stay at Energy Systems, Argonne National Laboratory, United States of America. / Marco Gimeno, J. (2023). Computational study of Formation and Development of Liquid Jets in Low Injection Pressure Conditions. Focus on urea-water solution injection for exhaust gas aftertreatment [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198699

[ES] El alto impacto del sector transporte respecto a las emisiones globales de CO2 y su efecto en el cambio climático ha llevado a que éste transite hacia tecnologías más eficientes y medioambientalmente sostenibles. Sin embargo, el ritmo de transformación es lento en relación a lo que se necesita para frenar el calentamiento global existente. En este sentido, en los últimos tiempos los caminos hacia la transformación se han diversificado; el concepto de "defossilization" ha surgido como alternativa a la descarbonización, ya que destaca la posibilidad de incluir una mayor cantidad de combustibles sintéticos y renovables, con los cuales se pueden obtener resultados igualmente efectivos. Dentro de estos, destacan los combustibles Polioximetileno dimetil éter (OMEn), su carácter oxigenado y no poseer enlaces carbono-carbono, los hace prometedores respecto a la formación de hollín. Además, presentan grandes similitudes y compatibilidades con el diésel convencional, lo cual posibilita el uso de la flota de vehículos con motores de combustión interna existente a nivel mundial, acelerando así la transición y siendo una alternativa con alcance global. La presente tesis tiene como objetivo llevar a cabo un estudio fundamental sobre el proceso de combustión y la estructura de la llama de chorros tipo Diésel cuando se utilizan combustibles tipo OMEn. Para la consecución de dicho objetivo, la metodología planteada es eminentemente computacional, encontrando aquí las mayores brechas en la literatura. Se lleva a cabo un estudio de la cinética química y el efecto de la difusión en los combustibles estudiados mediante configuraciones canónicas, como reactores homogéneos y flamelets de contraflujo. Posteriormente, se estudia detalladamente el proceso de combustión y la estructura de la llama mediante el uso extensivo de Dinámica de fluidos computacional (CFD, en inglés), con modelos de turbulencia RANS y LES, en conjunto con un modelo de combustión avanzado basado en el concepto de flamelets, denominado UFPV. Todos los casos estudiados están definidos siguiendo las directrices de la Engine Combustion Network (ECN), los cuales representan chorros inyectados en ambientes quiescentes con toberas monoorificio. Particularmente, se evalúan los Sprays A y D, y el impacto de variar la temperatura ambiente. Como conclusión general, se puede afirmar que estos modelos CFD predicen correctamente el desarrollo de la combustión bajo las condiciones analizadas, y que estos combustibles son capaces de desarrollar diferentes estructuras de llama altamente dependientes de las condiciones de contorno impuestas. / [CA] L'alt impacte del sector del transport respecte a les emissions globals de CO2 i el seu efecte en el canvi climàtic ha portat a que aquest transite cap a tecnologies més eficients i mediambientalment sostenibles. No obstant això, el ritme de transformació és lent en relació amb el que es necessita per frenar l'escalfament global existent. En aquest sentit, en els últims temps els camins cap a la transformació s'han diversificat; el concepte de "defossilització" ha sorgit com a alternativa a la descarbonització, ja que destaca la possibilitat d'incloure una major quantitat de combustibles sintètics i renovables, amb els quals es poden obtenir resultats igualment efectius. Dins d'aquests, destaquen els combustibles tipus polioximetilen dimetil èters (OMEn), el seu caràcter oxigenat i al no posseir enllaços carbó-carbó, els fa prometedors respecte a la formació de sutge. A més, presenten grans semblances i compatibilitats amb el dièsel convencional, la qual cosa possibilita l'ús de la flota de vehicles amb motors de combustió interna existent a nivell mundial, accelerant així la transició i essent una alternativa amb abast global. La present tesi té com a objectiu dur a terme un estudi basic sobre el procés de combustió i l'estructura de la flama de dolls tipus Dièsel quan s'utilitzen combustibles tipus OMEn. Per a la consecució d'aquest objectiu, la metodologia plantejada és eminentment computacional, trobant ací les majors mancances en la literatura. Es realitza un estudi de la cinètica química i l'efecte de la difusió en els combustibles estudiats mitjançant configuracions canòniques, com ara reactors homogenis i flamelets de contraflux. Posteriorment, s'estudia detalladament el procés de combustió i l'estructura de la flama mitjançant l'ús extensiu de dinàmica de fluids computacional (CFD, en anglés), amb models de turbulència RANS i LES, conjuntament amb un model de combustió avançat basat en el concepte de flamelets, anomenat UFPV. Tots els casos estudiats estan definits seguint les directrius de l'Engine Combustion Network (ECN, en anglés), els quals representen dolls injectats en ambients quiescents amb toveres mono-orifici. Particularment, s'avaluen els Sprays A i D, i l'impacte de variar la temperatura ambient. Com a conclusió general, es pot afirmar que aquests models CFD prediuen correctament el desenvolupament de la combustió sota les condicions analitzades, i que aquests combustibles són capaços de desenvolupar diferents estructures de flama altament dependents de les condicions de contorn imposades. / [EN] The significant impact of the transportation sector on global CO2 emissions and its effect on climate change has led to a shift towards more efficient and environmentally sustainable technologies. However, the pace of this transformation is slow relative to what is needed to mitigate existing global warming. In this regard, pathways toward transformation have diversified recently, with the concept of defossilization emerging as an alternative to decarbonization. Defossilization emphasizes the possibility of incorporating a greater variety of synthetic and renewable fuels, which can yield equally effective results. Among these alternatives, Polyoxymethylene dimethyl ether ($OMEn$) fuels stand out due to their oxygenated character and absence of carbon-carbon bonds, making them promising in reducing soot formation. Furthermore, their similarities and compatibilities with conventional diesel enable the utilization of the existing global fleet of internal combustion engine vehicles, thus potentially accelerating the transition on a global scale. This thesis aims to conduct a fundamental study on the combustion process and flame structure of Diesel-like sprays when OMEn-type fuels are utilized. To achieve this objective, the proposed methodology is eminently computational, addressing significant gaps in the existing literature. A study of chemical kinetics and diffusion effects in the fuels under investigation uses canonical configurations such as homogeneous reactors and counterflow flamelets. Subsequently, the combustion process and flame structure are examined in detail through extensive Computational fluid dynamics (CFD) simulations, employing RANS and LES turbulence models in conjunction with an advanced combustion model based on the flamelet concept, UFPV. All studied cases are defined according to the Engine Combustion Network (ECN) guidelines, representing sprays injected into quiescent environments with single-hole nozzles. Specifically, Spray A and D are evaluated, along with the impact of varying ambient temperatures. In conclusion, it can be affirmed that the CFD models accurately predict combustion development under the analysed conditions, and these fuels can develop different flame structures highly dependent on the imposed boundary conditions. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through a grant from Vicerrectorado de Investigación of Universitat Politècnica de València with reference FPI UPV SUBP2 (PAID-01-20) / De León Ceriani, D. (2024). Evaluation by Detailed CFD Modelling of the Effect of Renewable Fuels on the Flame Structure under Compression Ignition Engine Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207008

In der vorliegenden Arbeit wurden Strömungen räumlich begrenzter Strahlen untersucht. Zum einen wurde die Ausströmung eines runden Strahls in ein Rohr betrachtet, der sog. begrenzte Strahl. Zum anderen wurde die Ausströmung von 7 hexagonal angeordneten runden Strahlen in ein Rohr betrachtet, das sog. hexagonale Strahlbündel. Die Motivation zur vorliegenden Arbeit ergab sich aus der Entwicklung von Durchflussmessgeräten, die als Bypassapparaturen ausgeführt sind und stromabwärts des Staudruckkörpers ein Strömungsgebiet mit begrenzten Strahlen aufweisen. Dafür wurden mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie die zugrundeliegenden Kennzahlen bestimmt. Besonderes Augenmerk lag auf der Charakterisierung der instationären bzw. turbulenten Strömungseigenschaften für Reynolds-Zahlen zwischen 1.000 und 20.000. Es wurden die selbstähnlichen Eigenschaften der Strömungen untersucht, wobei sich insbesondere für den begrenzten Strahl wichtige Erkenntnisse ergaben. Für das hexagonale Strahlbündel wurden mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation die grundlegenden Eigenschaften des Strömungsfeldes untersucht. Dabei weisen die Geometriekennzahlen einen dominierenden Einfluss auf. So konnten in Abhängigkeit zum Durchmesserverhältnis und Strahlabstand drei Strömungsformen identifiziert und experimentell mittels Laser-Doppler Anemometrie nachgewiesen werden. Eine wesentliche Fragestellung bestand in der Anwendung der numerischen Strömungssimulation, des RANS-Ansatzes und des SST-Turbulenzmodells. Dazu wurde die Anpassung der Modellkoeffizienten untersucht, wobei für den begrenzten Strahl ein allgemein gültiger Satz gefunden wurde. / In the present work flows of spatially limited radiation were investigated. On the one hand, the outflow of a round jet into a pipe was considered, the so-called confined jet. On the other hand, the outflow of 7 hexagonal arranged round jets into a pipe was con-sidered, the so-called hexagonal jet array. The motivation for the present work arose from the development of flowmeters which are designed as bypass apparatures that have a jet array flow downstream of the dynamic pressure body. For this purpose the underlying similarity parameters were determined. Special attention was paid to the cha-racterization of transient and turbulent flow properties for Reynolds numbers between 1,000 and 20,000. The self-similar properties of the flows were investigated with im-portant findings in particular for the confined jet. For the hexagonal jet array the basic properties of the flow field were investigated by using computational fluid dynamics. The geometric similarity parameters have a dominant influence. Thus, depending on the di-ameter ratio and jet distance ratio, three flow patterns could be identified and experimen-tally detected by the use of laser Doppler anemometry. An important question was the application of the computational fluid dynamic method, the RANS approach and the SST turbulence model. For this purpose a generally valid set of model coefficients was found for the confined jet flow.

[ES] El proyecto ESTiMatE nace con el objetivo de mejorar la precisión de las predicciones de hollín para la reducción de emisiones y una mayor sostenibilidad ambiental en la aviación. Para ello es crucial comprender a fondo fenómenos que influyen en la formación de hollín, incluyendo atomización del combustible, mezcla, combustión y formación de emisiones. La presente tesis, como parte del proyecto, se centra en el primer paso para caracterizar las spray flames, el proceso de atomización del líquido. Existen modelos empíricos para ello, pero el objetivo de este trabajo es desarrollar un nuevo modelo fenomenológico a través de simulaciones de alta fidelidad. Se propone acoplar este modelo a los códigos PRECISE-UNS y Alya para inyectar gotas en simulaciones Lagrangianas, reproduciendo de forma efectiva las características clave de atomización primaria en la formación del spray. Realizar estudios sobre la configuración anular de atomizadores prefilming airblast es un gran desafío, por lo que los esfuerzos se han enfocado en la configuración plana como alternativa que proporciona información valiosa. El KIT ha hecho contribuciones notables en este sentido al desarrollar un banco de pruebas de configuración plana, generando una base de datos extensa con resultados que abarcan diversos fluidos de trabajo y condiciones de operación para validar los cálculos. Esta tesis investiga la atomización primaria en estos dispositivos con un enfoque computacional a través de simulaciones eDNS con el código PARIS Simulator. Se utilizan simulaciones VOF-DNS del borde del atomizador para obtener información, y simulaciones LES monofásicas precursoras que permiten tener en cuenta la turbulencia del gas en la entrada. No obstante, se han propuesto dos metodologías derivadas a partir de eDNS, extendiéndola con simulaciones LES bifásicas adicionales. La primera de ellas impone un espesor y velocidad constantes para la película líquida en la entrada, pero sus valores medios se obtienen procesando las nuevas simulaciones LES bifásicas. Esta metodología ha sido validada para una condición de operación de referencia, representativa del reencendido en altitud. La segunda, introduce un espesor y velocidad variables de la película líquida, constituyendo una condición de contorno más realista. Se han realizado dos estudios diferentes. Por un lado, utilizando la primera metodología, se realizó un estudio paramétrico para investigar el impacto de la velocidad media del gas y las propiedades del fluido en la formación de estructuras líquidas. Al variar estos parámetros se observan diferencias en los mecanismos de ruptura basadas en M como en la literatura. La base para un modelo fenomenológico se ha establecido utilizando estos resultados y puede extenderse con más condiciones de operación siguiendo la metodología descrita. Por otra parte, se ha realizado una comparación entre ambas metodologías para considerar la influencia de la historia de la película de combustible en la atomización primaria. En este estudio, al mejorar las condiciones de contorno a la entrada, se ha reproducido con éxito la fenomenología presente en los experimentos, al contrario que con la eDNS estándar. Se ha propuesto una nueva técnica de postprocesado para caracterizar las estructuras líquidas. Los métodos habituales detectan gotas en un dominio 3D, pero solamente detectan ligamentos en una proyección 2D utilizando optimización de funciones algebraicas. Sin embargo, este nuevo método es capaz de encontrar gotas y ligamentos en 3D mediante OpenCV. También ha sido validado con resultados de la literatura. Con todo, la tesis ha sentado las bases para el desarrollo de modelos específicos de atomización airblast mediante simulaciones de alta fidelidad, contribuyendo a una mejor predicción de los fenómenos de inyección, atomización, evaporación, mezcla y combustión de aeromotores que permita realizar un diseño más eficiente de éstos hacia una movilidad aérea sostenible. / [CA] El projecte ESTiMatE naix amb l'objectiu de millorar la precisió de les prediccions de sutge per a la reducció d'emissions i una major sostenibilitat ambiental en l'aviació. Per això, és crucial comprendre a fons fenòmens que influeixen en la formació de sutge, incloent atomització del combustible, mescla, combustió i formació d'emissions. La present tesi, com a part del projecte, se centra en el primer pas per caracteritzar les spray flames, el procés d'atomització del líquid. Existeixen alguns models empírics per això, però l'objectiu d'aquest treball és desenvolupar un nou model fenomenològic a través de simulacions d'alta fildelitat. Es proposa acoblar aquest model als codis PRECISE-UNS i Alya per injectar gotes en simulacions Lagrangianes, reproduint de manera efectiva les característiques clau d'atomització primària en la formació de l'spray. Realitzar estudis sobre la configuració anul·lar d'atomitzadors prefilming airblast és un gran desafiament, per la qual cosa els investigadors han enfocat els seus esforços en la configuració plana com alternativa que proporciona informació valuosa. El KIT ha fet contribucions notables en aquest sentit en desenvolupar un banc de proves de configuració plana, generant una base de dades extensa amb resultats que abasten diversos fluids de treball i condicions d'operació per a validar els càlculs. Esta tesi investiga l'atomització primària en aquests dispositius amb un enfocament computacional a través de simulacions eDNS emprant el codi PARIS Simulator. S'utilitzen simulacions VOF-DNS de la vora de l'atomitzador per a obtindre informació, i simulacions LES monofàsiques precursores que permeten tindre en compte la turbulència del gas a l'entrada. No obstant això, s'han proposat dues noves metodologies derivades a partir de eDNS, estenent-la amb simulacions LES bifàsiques addicionals. La primera d'elles imposa una grossària i velocitat constants per a la pel·lícula líquida en l'entrada, però els seus valors mitjans s'obtenen processant les noves simulacions LES bifàsiques. Aquesta metodologia ha sigut validada per a una condició d'operació de referència, representativa de la reencesa en altitud. La segona, introduïx una grossària i velocitat variables de la pel·lícula líquida, constituint una condició de contorn més realista. S'han realitzat dos estudis diferents. D'una banda, utilitzant la primera metodologia, es va realitzar un estudi paramètric per a investigar l'impacte de la velocitat mitjana del gas i les propietats del fluid en la formació d'estructures líquides. En variar estos paràmetres s'observen diferènciesen els mecanismes de ruptura basades en M com a la literatura. La base per a un model fenomenològic s'ha establit utilitzant aquests resultats i pot estendre's amb més condicions d'operació seguint la metodologia descrita. D'altra banda, s'ha realitzat en paral·lel una comparació entre totes dues metodologies per a considerar la influència de la història de la pel·lícula de combustible en l'atomització primària. En aquest estudi, en millorar les condicionsde contorn a l'entrada, s'ha reproduït amb èxit la fenomenologia present en els experiments, al contrari que amb la eDNS estàndard. S'ha proposat una nova tècnica de postprocessament per a caracteritzar les estructures líquides. Els mètodes habituals detecten gotes en un domini 3D, però solament detecten lligaments en una projecció 2D utilitzant optimització de funcions algebraiques. No obstant això, aquest nou mètode és capaç de trobar gotes i lligaments en 3D mitjançant la llibrería OpenCV. També ha sigut validat amb resultats de la literatura. Amb tot, la tesi ha establit les bases per al desenvolupament de models específics d'atomització airblast mitjançant simulacions d'alta fidelitat, contribuïnt a una millor predicció dels fenòmens d'injecció, atomització, evaporació, mescla i combustió dels aeromotors que permeta realitzar un disseny més eficient dels mateixos cap a una mobilitat aèria sostenible. / [EN] The project ESTiMatE emerges aiming to enhance the precision of soot predictions leading to reduced emissions and improved environmental sustainability in aviation. To achieve this, it is crucial to thoroughly understand various phenomena that influence soot formation, including fuel atomization, mixing, combustion, and subsequent emissions formation. The present thesis, as part of the project, focuses in the first step to characterize spray flames, the liquid atomization process. There exist some empirical models to characterize atomization, but the objective of this specific work package is to develop a new phenomenological model through high-fidelity simulations instead of empirical results. This model is proposed to be coupled to the PRECISE-UNS and Alya codes to inject droplets in Lagrangian simulations, effectively reproducing the key features of the primary atomization process on the spray formation. Conducting fundamental studies on the annular configuration of prefilming airblast atomizers is challenging, so researchers have directed their attention towards planar configurations as an alternative that can provide valuable insights. The KIT has made notable contributions in this regard by developing a dedicated planar test rig, generating a substantial database of results encompassing various working fluids and operating conditions for validation. This thesis investigates primary atomization in these devices with a computational approach using eDNS within the PARIS Simulator code. VOF-DNS simulations of the atomizing Edge are performed to obtain useful data, and precursor one-phase LES simulations in order to account for gas inflow turbulence at the DNS inlet. Nevertheless, two methodologies have been derived from eDNS, extending it with additional precursor two-phase LES simulations. The first one, imposes constant liquid film thickness and velocity at the DNS inlet, but their mean values are obtained processing the new two-phase LES simulations. It has been validated for a reference operating condition, representative of altitude relight. The second one, introduces variable liquid film thickness and velocity instead, constituting a more realistic boundary condition for the DNS. Two different studies have been conducted in this regard. On the one hand, using the former methodology, a parametric study was performed to investigate the impact of mean gas velocity and fluid properties on the formation of liquid structures. By varying these parameters differences on the breakup mechanisms are observed based on M as found in the literature. The basis for a phenomenological model has been established using these results, and it can be extended with more operating conditions following the described methodology. On the other hand, a comparison between both methodologies has been carried out in parallel, in order to account for the influence of film history on the primary atomization process. In this study, by improving the inlet boundary conditions, the phenomenology observed in the experiments has been succesfully reproduced, unlike with the standard eDNS. A novel post-processing technique for characterizing liquid structures has been proposed. Usual post-processing methods detect droplets in a 3D domain, but only detect ligaments in a top view 2D projection of it using algebraic functions optimization. However, this new method is able to find both droplets and ligaments as well as its 3D properties using the Open Computer Vision Library (OpenCV) instead. It has been also validated with the results in the literature. Overall, the thesis has laid the foundations for the development of specific airblast atomization models through the use of high-fidelity simulations,contributing to a better prediction of the injection, atomization, evaporation, mixing and combustion phenomena in aero engines, enabling a more efficient design towards sustainable air mobility. / Moreno Montagud, C. (2024). Computational Modelling of the Primary Atomization in Aero Engine Airblast Atomizers through a DNS Approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211359