Η χρήση θαλασσίου ύδατος για ψύξη μηχανών σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω εγκαταστάσεων άντλησης θαλασσίου ύδατος. Οι δεξαμενές αυτών των εγκαταστάσεων πρέπει να σχεδιάζονται σύμφωνα με τις οδηγίες του Hydraulic Institute (1998) ώστε να αποφεύγονται ανεπιθύμητα φαινόμενα που επηρεάζουν την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των αντλιών. Τέτοια φαινόμενα είναι οι στρόβιλοι, υποβρύχιοι και ελεύθερης επιφάνειας, η υπερβολική προ-ελίκωση της ροής ανάντη κάθε αντλίας, η ανομοιομορφία της ροής στην πτερωτή κάθε αντλίας, οι υπερβολικές χρονικές διακυμάνσεις της ταχύτητας και της ελίκωσης και η συμπαράσυρση αέρα και η δημιουργία φυσαλίδων. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται η δεξαμενή της εγκατάστασης άντλησης θαλασσίου ύδατος μέσω δύο αντλιών που βρίσκεται στον υπό κατασκευή Θερμοηλεκτρικό Σταθμό Φυσικού Αερίου της Δ.Ε.Η. στο Αλιβέρι. Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη της ροής στη συγκεκριμένη δεξαμενή ως προς την κυκλοφορία του ύδατος (γραμμές ροής και τύρβη), τις διατμητικές τάσεις στα τοιχώματα των αγωγών και της δεξαμενής, την προ-ελίκωση της ροής που προσεγγίζει την αντλία και την ανομοιομορφία της στο επίπεδο της πτερωτής της αντλίας, καθώς και η συμπεριφορά της ελίκωσης της ροής στους αγωγούς άντλησης. Η διερεύνηση της ροής γίνεται για αρκετές καταστάσεις λειτουργίας της δεξαμενής ως προς το βάθος ύδατος και τον αριθμό θυροφραγμάτων και αντλιών. Η γεωμετρία του υπολογιστικού πεδίου, το υβριδικό μη-δομημένο πλέγμα και η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων ροής πραγματοποιήθηκαν με τα προγράμματα Design Modeler, Meshing και Fluent του ANSYS. Ειδικότερα για το Fluent επιλέχθηκαν τα μοντέλα τύρβης k-ε και k-ω. Τα αποτελέσματα αναλύονται και συγκρίνονται με τα πειραματικά του υδραυλικού μοντέλου (Dimas & Vouros, 2012) σε κλίμακα 1:8.7 κατά Froude. Στις περιπτώσεις όπου είναι ανοικτό μόνο το ένα θυρόφραγμα, έχουμε κυκλοφορία της ροής μεταξύ των δύο θαλάμων των αντλιών κυρίως κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια του ύδατος. Στις περιπτώσεις όπου λειτουργεί μόνο η μία αντλία, έχουμε και έντονη κυκλοφορία στο θάλαμο της δεξαμενής που δεν γίνεται άντληση. Η φορά της ελίκωσης της ροής στον αγωγό συμπίπτει στις περισσότερες περιπτώσεις με αυτήν του υδραυλικού μοντέλου. Η γωνία ελίκωσης θ, η οποία υπολογίστηκε με βάση το μέτρο της εφαπτομενικής ταχύτητας, ήταν μεγαλύτερη στο μεγάλο βάθος ύδατος και διαφορετική σε όλες τις περιπτώσεις από αυτήν που μετρήθηκε στο υδραυλικό μοντέλο. / -

The aerospace industry has been concerned with propeller noise levels for years. This interest is two-fold: government regulation and comfort in cabin. This report attempts to create a simulation mechanism needed to evaluate the far-field noise generation levels. However, in order to do that, the tandem cylinder case was evaluated first as a validation step before the SR-7A propeller case was performed. Both cases use STAR-CCM+, a commercial software, to perform the simulations.

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El cultivo protegido bajo invernadero tiene altos costes energéticos derivados de la ventilación forzada. En cambio, la ventilación natural puede ser una solución barata que reduzca el consumo energético. No obstante, un diseño que permita la ventilación natural del invernadero supone un reto debido a la complejidad del fenómeno físico. Frente a otros métodos de diseño, como los métodos experimentales o analíticos, en los últimos tiempos la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) se ha convertido en la herramienta más utilizada para estudiar este tipo de fenómenos, gracias a su relativo bajo coste y a la rapidez en la obtención de resultados. No obstante, los modelos CFD deben refrendarse mediante validaciones realizadas a través de datos experimentales. Un análisis bibliográfico detallado del uso de la CFD aplicada a invernaderos muestra, en general, que los trabajos carecen de suficientes datos experimentales, seguramente debido al alto coste de los sensores para adquirirlos y la dificultad que conlleva el trabajo en condiciones de campo. Además, se observa que las simulaciones CFD en invernaderos no se realizan con un procedimiento sistematizado. Por ello, la presente tesis, por un lado describe un dispositivo y unos métodos sencillos y baratos para obtener datos atmosféricos, y por otro, propone una visión crítica sobre la investigación realizada hasta el momento, con el fin de sistematizar la manera de generar modelos CFD aplicados a la ventilación natural de invernaderos. Finalmente, la tesis se complementa con un ejemplo sobre un caso práctico. Para ello, en primer lugar, se realizó una revisión bibliográfica de las diferentes guías de buenas prácticas en diferentes campos de la tecnología principalmente en edificación, para sistematizar y adaptar las recomendaciones para generar modelos CFD en invernaderos. En segundo lugar, se desarrolló un sistema de adquisición de datos sencillo, consistente en una red de sensores, que permite medir simultáneamente la velocidad y dirección de viento en 20 puntos. Este sistema de sensores fue calibrado y probado en campo satisfactoriamente obteniendo una precisión similar a los anemómetros comerciales con un precio 30 veces superior. En tercer lugar, se generaron 24 modelos del flujo de aire alrededor del invernadero, resultantes de la combinación de cuatro modelos de turbulencia (k- ¿; RNG k-¿; k-¿ y RSM); dos esquemas de discretización (primer orden y segundo orden) y tres velocidades de viento exterior (3; 3,5 y 4 m/s) con el fin de analizar sus diferencias y demostrar sus ventajas e inconvenientes. Por este motivo, en cuarto lugar, se comprobó su capacidad de ajustarse a los datos de campo, validando los modelos con un análisis de regresión lineal sobre los datos experimentales. Con este estudió se reveló que los modelos SST k-¿ y el RSM (segundo orden) son los que mejor representan el flujo de ventilación y se demostró que el modelo k-¿ estándar (primer orden), el más utilizado en la bibliografía, no sólo ofrece resultados diferentes al resto de modelos, sino que su rendimiento es pobre para predecir el flujo de ventilación. / Granell Ruiz, R. (2014). Análisis del flujo ambiental y propuesta metodológica para simulaciones CFD aplicadas a la ventilación natural de invernaderos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37194

For turbulent flow calculations, some of the well-known turbulence models in the literature are applied on a previously developed Navier-Stokes solver designed to handle laminar flows. A finite volume formulation, which is cell-based for inviscid terms and cell-vertex for viscous terms, is used for numerical discretization of the Navier-Stokes equations in conservative form. This formulation is combined with one-step, explicit time marching Lax-Wendroff numerical scheme that is second order accurate in space. To minimize non-physical oscillations resulting from the numerical scheme, second and fourth order artificial smoothing terms are added. To increase the convergence rate of the solver, local time stepping technique is applied. Before applying turbulence models, Navier-Stokes solver is tested for a case of subsonic, laminar flow over a flat plate. The results are in close agreement with Blasius similarity solutions. To calculate turbulent flows, Boussinesq eddy-viscosity approach is utilized. The eddy viscosity (also called turbulent viscosity), which arises as a consequence of this approach, is calculated using Cebeci-Smith, Michel et. al., Baldwin-Lomax, Chien&rsquo / s k-epsilon and Wilcox&rsquo / s k-omega turbulence models. To evaluate the performances of these turbulence models and to compare them with each other, the solver has been tested for a case of subsonic, laminar - transition fixed - turbulent flow over a flat plate. The results are verified by analytical solutions and empirical correlations.

A Savonius wind turbine is a self-starting vertical axis rotor. It can be designed to be compact in size and also produces less noise which makes it suitable to integrate into urban spaces such as rooftops and sign-poles. These characteristics make it interesting from a sustainability point of view, especially when aiming to increase the decentralization of electricity production. This thesis aimed to investigate the aerodynamic performance of different two-bladed Savonius profiles by varying the blade arc angle and the overlap ratio. For evaluation, the dimensionless power coefficient and torque coefficient were investigated over different tip speed ratios. The study was conducted numerically with 2D simulations in Ansys Fluent. The partial differential equations describing the characteristics of the flow, including the flow turbulence effects, were solved with the Reynolds-average Navier Stokes in combination with the k-omega SST model. A validation was performed by comparing data from simulated and experimental tests of a semi-circular profile and a Benesh profile. The investigation of the blade arc angle and overlap ratio was performed on a Modified Bach profile. The profile with a blade arc angle of 130 degrees and an overlap ratio of 0.56 generated a maximal power coefficient of 0.267 at a tip speed ratio of 0.9. This blade configuration generated the best performance of all conducted simulations in this project. However, this project contained uncertainties since simulations can never be an exact description of reality. The project was also limited by the computational power available. Nevertheless, according to the conducted simulations, it was observed that a higher blade arc angle and a larger overlap ratio seem to generate higher efficiency. / En Savonius vindturbin är en självstartande vertikalaxlad rotor som kan utformas i en kompakt design samtidigt som den producerar mindre oljud än horisontalaxlade vindkraftverk. Dagens hållbarhetssträvan i kombination med Savonius turbinens karakteristiska egenskaper gör den till ett potentiellt starkt vertyg för vindenergi. Då den kan placeras på exempelvis hustak eller skyltstolpar, utan att störa närliggande omgivning, finns det många möjliga sätt att implementera och integrera den i samhällets infrastruktur. Målet med detta projekt var att undersöka den aerodynamiska prestationen för Savoniusturbiner med två blad genom att variera bladvinkeln och överlappningsförhållandet. För att jämföra de olika profilerna användes den dimensionslösa effektkoefficienten och momentkoefficienten. Dessa koefficienter beräknades i förhållande till löptalet. Studien utfördes numeriskt med 2D-simuleringar i Ansys Fluent. De partiella differentialekvationerna som beskriver flödets egenskaper, inkluderat turbulenseffekterna, löstes med Reynolds-average Navier Stokes i kombination med k-ω SST modellen. En validering utfördes genom att jämföra data med simulerade och experimentella värden av en Semi-circular profil och en Benesh profil. Studien av bladvinkel och överlappningsförhållandet utgick från en Modified Bach profil. Den mest effektiva profilen hade en bladvinkel av 130 grader och ett överlappsförhållande på 0,56. Den genererade en maximal effektkoefficient av 0,267 vid löptal 0,9. Projektet innehöll en del osäkerheter då simuleringar aldrig kan beskriva verkligheten till fullo. Den tillgängliga beräkningskapaciteten begränsade även projektet ytterligare. Trots vissa begränsningar, visar ändå utförda simuleringar att ökad bladvinkel och ökat överlappningsförhållande genererar högre effekt. / <p>This project was conducted within Stand up for wind and Stand up for energy.</p>

Hlavním cílem této práce je seznámit se s požadavky specifické procesní aplikace a návrhem výměníku tepla s křížovým tokem pracovních látek a zhodnotit návrh předmětného výměníku pomocí simulačního softwaru. Nejprve jsou v práci prozkoumány provozní podmínky rekuperace odpadního tepla a obecné možnosti návrhu a jsou uvedeny základní rovnice pro tepelný a hydraulický výpočet. Hlavní část práce se zaměřuje na modulární trubkový výměník tepla s křížovým tokem pracovních látek navržený pro experimentální výzkum rekuperace tepla a zanášení ze znečištěných spalin produkovaných spalováním alternativních paliv na VUT v Brně (VUT) na Ústavu procesního inženýrství (UPI). Nejprve je stručně představena situace v testovací laboratoři. Poté je popsán postup návrhu předmětného tepelného výměníku pomocí softwaru HTRI a výsledky jsou shrnuty a porovnány s cílovými požadavky. Následně je analyzována distribuce toku vody v trubkovém prostoru uvnitř jednoho ze čtyř identických modulů výměníku tepla užitím softwaru CDF pomocí tří různých simulačních přístupů. Jsou popsány dva přístupy využívající model turbulence k--SST a jeden přístup využívající model turbulence k--Realizable turbulence. Nakonec jsou diskutovány rozdíly mezi přístupy a výsledky simulací distribuce toku.

Purpose of this thesis is to check influence of turbulent model used for simulation of flow close to primary elementi inserted into piping. The goal is to check if results computed by these models are equal and how precise is their prediction.

Tesis por compendio / The new legal regulations derived from climate change dictate that hydraulic structures must be designed to handle flood events associated with return periods up to 10,000 years. This obviously involves adapting the existing infrastructure to meet such requirements. In order to avoid risks in the restitution of the flow discharged to rivers, such as bank overflows or streambed erosion and scour processes, hydraulic design must be supported by reliable tools capable of reproducing the behavior of hydraulic structures. In the work presented herein, a fully three-dimensional CFD model to reproduce the behavior of different types of air-water flow in hydraulic structures is presented. The flow is assumed to be turbulent, isotropic and incompressible. Several RANS turbulence models are tested and structured rectangular meshes are employed to discretize the analyzed domain. The presence of two fluids is modeled using different VOF approaches and simulations are run using the PIMPLE algorithm. The model is implemented using the open-source platform OpenFOAM and its performance is compared to the commercial code FLOW-3D. The analysis is conducted separately on two different parts of hydraulic structures, namely: the spillway and the stilling basin. Additionally, a case of practical application, where the model reproduces the flow of a real-life case, is also presented in order to prove the suitability of the model to actual design cases. Mesh independence and model validation using experimental data are checked in the results of all the case studies. The sensitivity of the presented model to certain parameters is extensively discussed using different indicator variables. Among these parameters are turbulence closure, discretization scheme, surface tracking approach, CFD code or boundary conditions. Pros and contras of each of them are addressed. The analyzed turbulence models are the Standard k ¿ ¿, the Realizable k ¿ ¿, the RNG k ¿ ¿, and the SST k ¿ ¿. The discretization schemes under study are: a first-order upwind method, the second-order limited Van Leer method, and a second-order limited central difference method. The VOF approaches analyzed are the Partial VOF, as implemented in OpenFOAM, and the TruVOF, as implemented in FLOW-3D. In most cases, the Standard k ¿ ¿ model provides the most accurate estimations of water free surface profiles, although the rest of variables, with few exceptions, are better predicted by the RNG k ¿ ¿. The latter model generally requires slightly longer computation times. The SST k ¿ ¿ reproduces correctly the phenomena under study, although it generally turned out to be less accurate than its k ¿ ¿ counterparts. As regards the comparison among VOF approaches and codes, it is impossible to determine which one performs best. E.g. OpenFOAM, using the Partial VOF, managed to reproduce the in- ternal hydraulic jump structure and all derived variables better than FLOW-3D, using the TruVOF, although the latter seems to capture better the momentum transfer and so all derived variables. In the case of flow in stepped spillways, OpenFOAM captures better the velocity profiles, although FLOW-3D is more accurate when estimating the water free surface profile. It is worth remark- ing that not even their response to certain model parameters is comparable. E.g. FLOW-3D is significantly less sensitive to mesh refinement than OpenFOAM. Given the result accuracy achieved in all cases, the proposed model is fully applicable to more complex design cases, where stilling basins, stepped spillways and hydraulic structures in general must be investigated. / Las nuevas disposiciones legales derivadas del cambio climático dictaminan que las estructuras hidráulicas sean capaces de funcionar correctamente con eventos de inundación asociados a periodos de retorno de hasta 10,000 años. Esto, obviamente, implica adaptar la infraestructura existente para satisfacer dichos requerimientos. A fin de evitar riesgos en la restitución de los caudales vertidos al río, como desbordamientos o procesos erosivos y de socavación, el diseño hidráulico ha de sustentarse en herramientas fiables capaces de reproducir el comportamiento de las estructuras hidráulicas. En este trabajo, se presenta un modelo numérico CFD completamente tridimensional para reproducir el comportamiento de diferentes tipos de flujo aire-agua en estructuras hidráulicas. Se asume que el flujo es turbulento, isotrópico e incompresible. Diversos modelos de turbulencia RANS son contrastados y se emplean mallas estructuradas rectanuglares para discretizar el dominio analizado. La presencia de dos fluidos es modelada utilizando diferentes enfoques VOF y las simulaciones son ejecutadas empleando el algoritmo PIMPLE. El modelo es implementado mediante la plataforma de código abierto OpenFOAM y su respuesta es comparada con la del modelo comercial FLOW-3D. El análisis se lleva a cabo sobre dos partes diferentes de una estructura hidráulica, a saber, el aliviadero y el cuenco amortiguador, de forma separada. Además, un caso de aplicación práctica, donde el modelo reproduce el flujo en una estructura real, es presentado también a fin de probar la adecuación del modelo a casos de diseño aplicado. Se comprueban la independencia de la malla y la validación con datos experimentales de los resultados de todos los casos de estudio. La sensibilidad del modelo presentado a ciertos parámetros es analizada de forma exhaustiva empleando diferentes variables indicadoras. Los pros y contras de cada uno de éstos son planteados. Los modelos de turbulencia analizados son el Standard k-epsilon, el Realizable k-epsilon, el RNG k-epsilon y el SST k-omega. Los esquemas de discretización estudiados son: un método de primer orden upwind, uno de Van Leer de segundo orden y un esquema de segundo orden limitado de diferencias centradas. Los enfoques VOF analizados son el Partial VOF, implementado en OpenFOAM, y el TruVOF, implementado en FLOW-3D. En la mayoría de casos, el modelo k-epsilon aporta las estimaciones más precisas de perfiles de lámina libre de agua, pese a que el resto de variables, con alguna excepción, son mejor predichas por el RNG k-epsilon. Este modelo generalmente requiere mayores tiempos de cálculo. El k-omega reproduce correctamente los fenómenos bajo estudio, pese a que su precisión es generalmente más baja que la de los modelos k-epsilon. En lo que respecta a la comparación entre enfoques VOF y códigos, es imposible determinar cuál es el mejor. Por ejemplo, OpenFOAM, empleando el Partial VOF, logra reproducir la estructura interna del resalto hidráulico y todas las variables derivadas mejor que FLOW-3D, empleando el TruVOF, a pesar de que este último parece capturar mejor la transferencia de cantidad de movimiento y, por tanto, todas las variables derivadas. En el caso del flujo en aliviaderos escalonados, OpenFOAM captura mejor los perfiles de velocidad, pese a que FLOW-3D es más preciso en la estimación de los perfiles de lámina libre de agua. Conviene recalcar que ni tan sólo su respuesta a ciertos parámetros del modelo es comparable. Por ejemplo, FLOW-3D es significativamente menos sensible al refinado de malla que OpenFOAM. A la luz de la precisión de los resultados obtenidos en todos los casos, el modelo propuesto es completamente aplicable a casos de diseño más complejos, donde cuencos amortiguadores, aliviaderos escalonados y estructuras hidráulicas en general han de ser investigadas. / Les noves disposicions legals derivades del canvi climàtic dictaminen que cal que les estructures hidràuliques siguen capaces de funcionar correctament amb esdeveniments d'inundació associats a períodes de retorn de fins a 10,000 anys. Això, òbviament, implica adaptar la infraestrctura existent per satisfer aquests requeriments. A fi d'evitar riscs en la restitució dels cabals vessats al riu, com desbordaments o processos erosius i de socavació, el disseny hidràulic ha de recolzar-se en ferramentes fiables capaces de reproduir el comportament de les estructures hidràuliques. En aquest treball, es prsenta un model numèric CFD completament tridimensional per a reproduir el comportament de diferents tipus de flux aire-aigua en estructures hidràuliques. S'assumeix que el flux és turbulent, isotròpic i incompressible. Diferents models de turbulència RANS són contrastats i s'empren malles estructurades rectangulars per discretitzar el domini analitzat. La presència de dos fluids és modelada utilitzant diferents enfocaments VOF i les simulacions són executades emprant l'algorisme PIMPLE. El model és implementat mitjançant la plataforma de codi obert OpenFOAM i la seua resposta és comparada amb la del codi comercial FLOW-3D. L'anàlisi es du a terme sobre les diferents parts d'una estructura hidràulica, a saber, sobreeixidors esgraonats i vas esmorteïdor, de forma separada. A més, un cas d'aplicació pràctica, on el model reprodueix el flux a una estructura real, és presentat també a fi de provar l'adequació del model a casos de disseny aplicat. Es comproven la independència de la malla i la validació amb dades experimentals dels resultats de tots els casos d'estudi. La sensibilitat del model presentat a certs paràmetres és analitzada de forma exhaustiva emprant diferents variables indicadores. Els pros i contres de cadascun d'aquests són plantejats. Els models de turbulència analitzats són l'Standard k-epsilon, el Realizable k-epsilon, el RNG k-epsilon i l'SST k-omega. Els esquemes de discretització estudiats són: un mètode de primer ordre upwind, un de Van Leer de segon ordre i un esquema de segon ordre limitat de diferències centrades. Els enfocaments VOF analitzats són el Partial VOF, implementat en OpenFOAM, i el TruVOF, implementat en FLOW-3D. En la majoria de casos, el model Standard k-epsilon aporta les estimacions més precises de perfils de làmina lliure d'aigua, tot i que la resta de variables, amb alguna excepció, són millor predites pel RNG k-epsilon. Aquest model generalment requereix majors temps de càlcul. El k-omega reprodueix correctament els fenòmens sota estudi, tot i que la seua precisió és generalment més baixa que la dels models k-epsilon. Pel que fa la comparació entre enfocaments VOF i codis, és impossible determinar quin és el millor. Per exemple, OpenFOAM, emprant el Partial VOF, aconsegueix reproduir l'estructura interna del ressalt hidràulic i totes les variables derivades millor que FLOW-3D, emprant el TruVOF, tot i que aquest últim pareix capturar millor la transferència de quantitat de moviment i, per tant, totes les variables derivades. En el cas del flux en sobreeixidors esgraonats, OpenFOAM captura millor els perfils de velocitat, tot i que FLOW-3D és més precís en estimar els perfils de làmina lliure d'aigua. Cal deixar palès que ni tan sols la seua resposta a certs paràmetres del model és comparable. Per exemple, FLOW-3D és significativament menys sensible al refinament de malla que OpenFOAM. En base a la precisió dels resultats obtinguts en tots els casos, el model proposat és completament aplicable a casos de disseny més complexos, on vassos esmorteïdors, sobreeixidors esgraonats i estructures hidràuliques en general han de ser investigades. / Bayón Barrachina, A. (2017). Numerical analysis of air-water flows in hydraulic structures using computational fluid dynamics (CFD) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90440 / Compendio