<p>Train transportation is a vital part of the transportation system of today anddue to its safe and environmental friendly concept it will be even more impor-tant in the future. The speeds of trains have increased continuously and withhigher speeds the aerodynamic effects become even more important. One aero-dynamic effect that is of vital importance for passengers’ and track workers’safety is slipstream, i.e. the flow that is dragged by the train. Earlier ex-perimental studies have found that for high-speed passenger trains the largestslipstream velocities occur in the wake. Therefore the work in this thesis isdevoted to wake flows. First a test case, a surface-mounted cube, is simulatedto test the analysis methodology that is later applied to a train geometry, theAerodynamic Train Model (ATM). Results on both geometries are comparedwith other studies, which are either numerical or experimental. The comparisonfor the cube between simulated results and other studies is satisfactory, whiledue to a trip wire in the experiment the results for the ATM do not match.The computed flow fields are used to compute the POD and Koopman modes.For the cube this is done in two regions of the flow, one to compare with a priorpublished study Manhart & Wengle (1993) and another covering more of theflow and especially the wake of the cube. For the ATM, a region containing theimportant flow structures is identified in the wake, by looking at instantaneousand fluctuating velocities. To ensure converged POD modes two methods toinvestigate the convergence are proposed, tested and applied. Analysis of themodes enables the identification of the important flow structures. The flowtopologies of the two geometries are very different and the flow structures arealso different, but the same methodology can be applied in both cases. For thesurface-mounted cube, three groups of flow structures are found. First groupis the mean flow and then two kinds of perturbations around the mean flow.The first perturbation is at the edge of the wake, relating to the shear layerbetween the free stream and the disturbed flow. The second perturbation isinside the wake and is the convection of vortices. These groups would then betypical of the separation bubble that exists in the wake of the cube. For theATM the main flow topology consists of two counter rotating vortices. Thiscan be seen in the decomposed modes, which, except for the mean flow, almostonly contain flow structures relating to these vortices.</p> / QC 20100518 / Gröna Tåget

Cette thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la simulation numérique d’une configurationde jet rond en impact peu rencontrée dans la littérature : un jet chauffé issu d’une conduitepleinement développée à un haut nombre de Reynolds (ReD = 60 000) impacte normalement uneparoi située à trois diamètres en aval. Le premier volet de ce travail est dédié à la génération d’unebase de donnée expérimentale à l’aide de plusieurs moyens de mesure, avec pour objectif de caractériserà la fois la dynamique et la thermique de l’écoulement. Les techniques complémentaires devélocimétrie laser à franges (LDV) et vélocimétrie par image de particules (S-PIV) ont été mises àprofit pour la caractérisation du champ de vitesse et du tenseur de Reynolds tandis que les champsde température moyenne et fluctuante ont été mesurés à l’aide d’un fil froid. Enfin, les échangesthermiques au niveau de la paroi ont été obtenus par la méthode inverse de thermographie en facearrière (ThEFA). En plus de fournir une base de donnée très complète nécessaire à la validation dessimulations numériques, ces mesures ont également permis de mettre en évidence l’organisation àgrande échelle de l’écoulement, avec la présence de grandes structures tourbillonnaires dont la fréquencede passage correspond au mode colonne du jet libre et qui s’approchent de la paroi d’impactaux alentours du second maximum observé dans la distribution des échanges pariétaux. Le secondvolet concerne les simulations numériques visant à reproduire la configuration expérimentale. Deuxapproches ont été évaluées : l’approche RANS pour quantifier la pertinence des modèles utilisés parles industriels et l’approche LES, plus coûteuse, mais donnant accès aux propriétés instationnaireset tridimensionnelles de l’écoulement. Les simulations RANS ont montré que les modèles reconnuscomme les plus performants pour ce type de configuration sont incapables de prévoir correctementle niveau des échanges pariétaux. Ils sont, en revanche, bien reproduits par la simulation LES. Lesdonnées obtenues ont été mises à profit pour mieux comprendre les mécanismes liés à l’apparitiondu second maximum. Cette analyse a mis en avant le rôle des « points chauds ». Seuls certains d’entreeux ont pu être reliés à la présence de régions « décollées » tandis que la majorité est associée à desstructures allongées dans la direction de l’écoulement. / This thesis is dedicated to the experimental characterisation and the numerical simulations ofa round impinging jet configuration seldom dealt with in the literature : a heated jet issues from apipe fully developed pipe at a high Reynolds number (ReD = 60 000) and normally impinges a platelocated three diameters downstream. The first part of this work is directed towards the generationof an experimental database by means of several measurement techniques in order to characteriseboth the dynamical and thermal flow features. The complementary techniques of laser Doppler velocimetry(LDV) and particle image velocimetry (S-PIV) allowed for the velocity and Reynolds tensorfield characterisation. The mean and fluctuating temperature fields were measured through cold-wirethermometry. Finally, the plate heat transfer distribution was obtained through the inverse methodof « rear face thermography » (ThEFA). The gathered data not only provided a comprehensive databasenecessary to validate numerical simulations but also permitted to highlight the large-scale floworganisation, with the presence of large vortices shedding at the free jet preferred mode and closelyapproaching the plate in the vicinity of the secondary peak observed in the heat transfer distribution.The second part of this thesis focuses on the numerical simulations aiming at reproducing the experimentalconfiguration. Two approaches were evaluated : the RANS approach in order to quantifythe relevance of industrial turbulence models and the Large-Eddy Simulation, more expensive, butproviding the 3D unsteady flow features. The RANS simulations showed that the models recognisedas the most efficient for this kind of configuration are unable to correctly predict the heat transferlevels. They are, on the other hand, well reproduced by the LES. The generated data allowed for betterunderstanding of the mechanisms leading to the secondary peak. This analysis highlighted theprominent role of the "hot spots", where only some of them can be related to « separated » regions,while the majority are associated with streamwise elongated structures.

Train transportation is a vital part of the transportation system of today anddue to its safe and environmental friendly concept it will be even more impor-tant in the future. The speeds of trains have increased continuously and withhigher speeds the aerodynamic effects become even more important. One aero-dynamic effect that is of vital importance for passengers’ and track workers’safety is slipstream, i.e. the flow that is dragged by the train. Earlier ex-perimental studies have found that for high-speed passenger trains the largestslipstream velocities occur in the wake. Therefore the work in this thesis isdevoted to wake flows. First a test case, a surface-mounted cube, is simulatedto test the analysis methodology that is later applied to a train geometry, theAerodynamic Train Model (ATM). Results on both geometries are comparedwith other studies, which are either numerical or experimental. The comparisonfor the cube between simulated results and other studies is satisfactory, whiledue to a trip wire in the experiment the results for the ATM do not match.The computed flow fields are used to compute the POD and Koopman modes.For the cube this is done in two regions of the flow, one to compare with a priorpublished study Manhart &amp; Wengle (1993) and another covering more of theflow and especially the wake of the cube. For the ATM, a region containing theimportant flow structures is identified in the wake, by looking at instantaneousand fluctuating velocities. To ensure converged POD modes two methods toinvestigate the convergence are proposed, tested and applied. Analysis of themodes enables the identification of the important flow structures. The flowtopologies of the two geometries are very different and the flow structures arealso different, but the same methodology can be applied in both cases. For thesurface-mounted cube, three groups of flow structures are found. First groupis the mean flow and then two kinds of perturbations around the mean flow.The first perturbation is at the edge of the wake, relating to the shear layerbetween the free stream and the disturbed flow. The second perturbation isinside the wake and is the convection of vortices. These groups would then betypical of the separation bubble that exists in the wake of the cube. For theATM the main flow topology consists of two counter rotating vortices. Thiscan be seen in the decomposed modes, which, except for the mean flow, almostonly contain flow structures relating to these vortices. / QC 20100518 / Gröna Tåget

Η παρούσα διατριβή μελετά τις δυνατότητες υπολογισμού του πεδίου ροής δύο λειτουργικών παραμέτρων συμπεριλαμβανομένων του εκπεμπόμενου θορύβου και των εκπεμπόμενων ρύπων. Εξετάζεται η αλληλεπίδραση της καύσης με το ρευστο-θερμοδυναμικό πεδίο και τις χημικές αντιδράσεις. Περιγράφονται συνοπτικά οι διέπουσες εξισώσεις, οι μέθοδοι και τα μοντέλα της τυρβώδους καύσης και επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα του μοντέλου των μεγάλων δινών (LES) το οποίο επιλέχθηκε εδώ. Αναπτύσσεται ένας εύχρηστος, από την ρευστοδυναμική υπολογιστική μεθοδολογία, πολυβηματικός μηχανισμός για δύο καύσιμα άμεσου ενδιαφέροντος το μεθάνιο και το προπάνιο. Προτείνεται, δηλαδή, ένα απλοποιημένο χημικό σχήμα για την οξείδωση των βασικών καυσίμων το οποίο περιέχει τον σχηματισμό του NΟx και της παραγωγής καπναιθάλης. Μετά από ανάλυση του ρόλου της καύσης στην ακουστική διακρίνονται οι δύο χαρακτηριστικοί τύποι: του θορύβου τυρβώδους καύσης (βόμβος – roar) και του θορύβου από τις ταλαντώσεις της καύσης (combustion oscillation). Παρουσιάζεται η κυματική εξίσωση και εισάγεται η έννοια του θερμο-ακουστικού όρου ο οποίος είναι συνάρτηση της απελευθερωμένης θερμότητας (q) στην φλόγα και εμφανίζεται ως όρος πηγής στην βασική εξίσωση. Στη συνέχεια η φλόγα εξετάζεται ως αυτόνομος πηγή αλλά και ως ενισχυτής θορύβου. Με την προσέγγιση της Προσομοίωσης των Μεγάλων Δινών (Large Eddy Simulation, LES) αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία υπολογισμού του θορύβου που εκπέμπεται από το μέτωπο τυρβωδών φλογών διάχυσης. Στο πλαίσιο της προτεινομένης μεθοδολογίας το αποτέλεσμα ήταν η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου προγνωστικού υπολογιστικού κώδικα. Στην συνέχεια υπολογίζεται το αεροθερμοδυναμικό τυρβώδες πεδίο ροής μέσω τελειοποίησης κωδίκων του Εργαστηρίου Τεχνικής Θερμοδυναμικής, των κωδίκων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσης εργασίας αλλά και του εμπορικού κώδικα Fluent. Η μεθοδολογία, που αναπτύχθηκε με την παρούσα ερευνητική εργασία, πιστοποιήθηκε μέσω μιας σειράς πρωτότυπων μετρήσεων, του εκπεμπόμενου θορύβου στις συρρέουσες, εφαπτόμενες και ανυψωμένες και ανακυκλοφορούσες (χαμηλού και υψηλού λόγου καυσίμου/αέρα) φλόγες, σε πρωτότυπες πειραματικές διατάξεις του Εργαστηρίου. Συγκεκριμένα διαμορφώθηκε ένας καινοτόμος αεροδυναμικός φλογοσυγκρατητής πολλαπλών εγχύσεων που διατηρεί μια πλούσια γκάμα φλογών με ιδιαίτερα χαμηλό λόγο καυσίμου/αέρα. Επιτεύχθηκαν πειραματικές μετρήσεις, του ορμικού και θερμοκρασιακού πεδίου διαφόρων μορφών τυρβωδών φλογών, συντάχθηκαν σχετικά διαγράμματα και υπολογίσθηκαν οι αρχικές και οριακές συνθήκες των πειραμάτων. / In the present work the calculation of two parameters, the radiated noise and pollutants are studied. The interaction between combustion, the aerothermodynamical field and the chemical reactions is studied. The equations, the methods and the models of turbulent combustion are described here and the advantages of the large eddy simulation model (LES) which has been chosen for this case, are marked. A multi-step chemistry mechanism is developed for two fuels of great interest: methane and propane. A simple chemical scheme for the oxidation of basic fuels which includes the formation of NOx and soot is suggested in the present work. After analyzing the role of combustion in the acoustics two types of noise are distinguished the turbulent combustion noise and the noise from combustion oscillation. The wave equation is presented and the definition of thermo acoustic term which is a function of the heat release q in flame and it appears as a source term in the basic equation. The flame is examined as an autonomous source as well as a noise amplifier. With the approach of large eddy simulation (LES) a methodology for the noise calculation is developed which noise is from the turbulent diffusion flame front. In the place of the suggested methodology the result was the development of a 3-D computational code. The turbulent aerothermodynamical flow field is computed by codes has been developed in the laboratory of technical thermodynamic and by the commercial code (fluent). The methodology, which has been developed in the present work, has been certificated through a series of original measurements of the emitted noise in coaxial, tangential and lifted flames in original experimentallayouts.