[EN] The most popular programs building energy simulation and more used are based on the method of response factors (REF) (Mitalas & Stephenson, 1967) to assess the thermal energy demand of buildings. It is sampled with a certain fixed frequency temperature on both sides of an enclosure and between different sampling instants supposed evolution was linear. This interpolation is known as forming element (EF) or holder of the sampled signal of order 1. For the temperature on each side is needed to take stock of thermal power on both surfaces of the enclosure. This leads to the balance of power is true in the sampling instants but not outside of them and therefore no calculation scheme conserves energy. The stated objective is to obtain a method of fast and accurate simulation. The scheme should retain the power to allow the making jumps when internal loads or other excitations and the action of air conditioning systems. HVAC dynamics is rarely considered and its response time is faster than the building, so the sampling time of one hour is maintained. The proposed methodology demonstrates how to apply the method of response factors using a second order polynomial. All under a scheme that conserves energy within the sampling points. The parabolic profile can fulfill this condition between sampling points. To check the validity of the method results from the linear function and the proposal function with the same sample rate and comparing different. As discussed, it is concluded that there is greater precision in temperature and the energy transferred to the air. This thesis proposes to replace it, the trainer of order 1 with another element of order 2. To shape the evolution of temperatures on each side of the enclosure, in addition to the balance of powers balance of power is required so the scheme calculation is conservative. The proposed method gives a similar increase the sampling frequency with a lower precision computation time. Therefore, it is intended through this thesis lay the theoretical and methodological basis of a new model for calculating heat transfer in walls to meet the current needs of accuracy and speed in the process of designing both buildings but especially new and existing renovation strategies. / [ES] Los programas de simulación energética de edificios más conocidos y empleados utilizan el método de los factores de respuesta (REF) (Mitalas & Stephenson, 1967) para evaluar la demanda de energía térmica de los edificios. Se muestrea con cierta frecuencia fija la temperatura a ambos lados de un cerramiento y entre instantes de muestreo distintos se supone que su evolución fue lineal. Esa interpolación se conoce como elemento formador (EF) o sostenedor de la señal muestreada de orden 1. Para obtener la temperatura a cada lado se necesita hacer un balance de potencias térmicas en ambas superficies del cerramiento. Esto lleva a que el balance de potencia sea cierto en los instantes de muestreo pero no fuera de ellos y por lo tanto el esquema de cálculo no conserva la energía. El objetivo planteado es obtener un método de simulación más rápido y preciso. El esquema debe conservar la energía para permitir la toma de saltos por hora de las cargas internas u otras excitaciones y la acción de los sistemas de climatización. La dinámica de HVAC es rara vez considerada y su tiempo de respuesta es más rápido que el edificio, por ello se mantiene el tiempo de frecuencia de muestreo de una hora. La metodología propuesta demuestra cómo aplicar el método de los factores de respuesta mediante un polinomio de segundo orden. Todo ello bajo un esquema que conserva la energía dentro de los puntos de muestreo. El perfil parabólico permite cumplir esta condición entre los puntos de muestreo. Para comprobar la validez del método se comparan resultados entre la función lineal y la parabólica propuesta con la misma frecuencia de muestreo y distinta. Como se expondrá, se concluye que existe una mayor precisión en la temperatura y la energía transferida al aire. La presente tesis propone substituir pues, el elemento formador de orden 1 por otro de orden 2. Para dar forma a la evolución de temperaturas a cada lado del cerramiento, además del balance de potencias se requiere el balance de energía por lo que el esquema de cálculo es conservativo. El método propuesto permitirá una precisión similar a aumentar la frecuencia de muestreo con un tiempo inferior de cálculo. Por tanto, se pretende a través de la presente tesis sentar la base teórica y metodológica de un nuevo modelo para el cálculo de la transferencia de calor en muros para dar respuesta a las necesidades actuales de exactitud y rapidez en el proceso de diseño tanto de edificios nuevos pero especialmente de los existentes y sus estrategias de rehabilitación. / [CA] Els programes de simulació energètica d'edificis més coneguts i empleats utilitzen el mètode dels factors de resposta (REF) (Mitalas & Stephenson, 1967) per avaluar la demanda d'energia tèrmica dels edificis. Es mostreja amb certa freqüència fixa la temperatura a banda i banda d'un tancament i entre instants de mostreig diferents se suposa que la seva evolució va ser lineal. Aquesta interpolació es coneix com a element formador (EF) o sostenedor del senyal muestreada d'ordre 1. Per obtenir la temperatura a cada costat es necessita fer un balanç de potències tèrmiques en amb dues superfícies del tancament. Això porta al fet que el balanç de potència sigui cert en els instants de mostreig però no fora d'ells i per tant l'esquema de càlcul no conserva l'energia. L'objectiu plantejat és obtenir un mètode de simulació més ràpid i precís. L'esquema ha de conservar l'energia per permetre la presa de salts per hora de les càrregues internes o altres excitacions i l'acció dels sistemes de climatització. La dinàmica de HVAC és rares vegades considerada i el seu temps de resposta és més ràpid que l'edifici, per això es manté el temps de freqüència de mostreig d'una hora. La metodologia proposada demostra com aplicar el mètode dels factors de resposta mitjançant un polinomi de segon ordre. Tot això sota un esquema que conserva l'energia dins dels punts de mostreig. El perfil parabòlic permet complir aquesta condició entre els punts de mostreig. Per comprovar la validesa del mètode es comparen resultats entre la funció lineal i la parabòlica proposta amb la mateixa freqüència de mostreig i diferent. Com s'exposarà, es conclou que existeix una major precisió en la temperatura i l'energia transferida a l'aire. La present tesi proposa substituir doncs, l'element formador d'ordre 1 per un altre d'ordre 2. Per donar forma a l'evolució de temperatures a cada costat del tancament, a més del balanç de potències es requereix el balanç d'energia pel que l'esquema de càlcul és conservatiu. El mètode proposat permetrà una precisió similar a augmentar la freqüència de mostreig amb un temps inferior de càlcul. Per tant, es pretén a través de la present tesi asseure la base teòrica i metodològica d'un nou model per al càlcul de la transferència de calor en murs per donar resposta a les necessitats actuals d'exactitud i rapidesa en el procés de disseny tant d'edificis nous però especialment dels existents i les seves estratègies de rehabilitació. / Soto Francés, L. (2016). NUEVO MÉTODO CONSERVATIVO PARA LA SIMULACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN MUROS MULTICAPA BASADO EN PERFILES DE TEMPERATURA PARABÓLICOS Y FACTORES DE RESPUESTA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/60924

[EN] Articular cartilage is a tissue with low capacity for self-restoration due to its avascularity and low cell population. It is located on the surface of the subchondral bone covering the diarthrodial joints. Degeneration of articular cartilage can appear in athletes, in people with genetic degenerative processes (osteoarthritis or rheumatoid arthritis) or due to a trauma; what produces pain, difficulties in mobility and progressive degeneration that finally leads to joint failure. Self-restoration is only produced when the defect reaches the subchondral bone and bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) invade the defect. However, this new formed tissue is a fibrocartilaginous type cartilage and no a hyaline cartilage, which finally leads to degeneration. Transplantation of autologous chondrocytes has been proposed to regenerate articular cartilage but this therapy fails mainly to the absence of a material support (scaffold) for the adequate stimulation of cells. Matrix-induced autologous chondrocyte implantation uses a collagen hydrogel as scaffold for chondrocytes; however, it does not have the adequate mechanical properties, does not provide the biological cues for cells and regenerated tissue is not articular cartilage but fibrocartilage. Different approaches have been done until now in order to obtain a scaffold that mimics better articular cartilage properties and composition. Hydrogels are a good option as they retain high amounts of water, in a similar way to the natural tissue, and can closely mimic the composition of natural tissue by the combination of natural derived hydrogels. Their three-dimensionality plays a critical role in articular cartilage tissue engineering to maintain chondrocyte function, since monolayer culture of chondrocytes makes them dedifferentiate towards a fibroblast-like phenotype secreting fibrocartilage. Recently, injectable hydrogels have attracted attention for the tissue engineering of articular cartilage due to their ability to encapsulate cells, injectability in the injury with minimal invasive surgeries and adaptability to the shape of the defect. Following this new approach we aimed at synthesizing two new families of injectable hydrogels based on the natural protein gelatin for the tissue engineering of articular cartilage. The first series of materials consisted on the combination of injectable gelatin with loose reinforcing polymeric microfibers to obtain injectable composites with improved mechanical properties. Our results demonstrate that there is an influence of the shape and distribution of the fibers in the mechanical properties of the composite. More importantly bad fiber-matrix interaction is not able to reinforce the hydrogel. Due to this, our composites were optimized by improving matrix-fiber interaction through a hydrophilic grafting onto the microfibers, with very successful results. The second series of materials were inspired in the extracellular matrix of articular cartilage and consisted of injectable mixtures of gelatin and hyaluronic acid. Gelatin molecules in the mixtures provided integrin adhesion sites to cells, and hyaluronic acid increased the mechanical properties of gelatin. This combination demonstrated ability for the differentiation of MSCs towards the chondrocytic lineage and makes these materials very good candidates for the regeneration of articular cartilage. The last part of this thesis is dedicated to the synthesis of a non-biodegradable material with mechanical properties, swelling and permeability similar to cartilage. This material intends to be used as a platform in a bioreactor in which the typical loads of the joint are simulated, so that the hydrogels or scaffolds would fit in the recesses in the platform. The function of the platform is to simulate the effect of the surrounding tissue on the scaffold after implantation and could reduce animal experimentation by simulating in vivo conditions. / [ES] El cartílago articular es un tejido con baja capacidad de auto-reparación debida a su avascularidad y baja población celular. Se encuentra en la superficie del hueso subcondral cubriendo las articulaciones. La degeneración del cartílago articular puede aparecer en atletas, en personas con procesos genéticos degenerativos o debido a un trauma; lo que produce dolor, dificultades en la movilidad y degeneración progresiva que lleva al fallo de la articulación. La auto-reparación sólo se produce cuando el defecto alcanza el hueso subcondral y las células madre (MSCs) de la médula ósea invaden el defecto. Sin embargo, este nuevo tejido es un cartílago de tipo fibrocartilaginoso y no un cartílago hialino, el cual finalmente lleva a la degeneración. El trasplante de condrocitos autólogos ha sido propuesto para regenerar el cartílago articular pero esta terapia falla principalmente por la ausencia de un material soporte (scaffold) que estimule adecuadamente a las células. El implante de condrocitos autólogos mediante un hidrogel de colágeno no tiene las propiedades mecánicas apropiadas, no proporciona las señales biológicas a las células y el tejido regenerado no es cartílago articular sino fibrocartílago. Se han realizado diferentes enfoques para obtener un scaffold que mimetice mejor las propiedades y la composición del cartílago articular. Los hidrogeles son una buena opción ya que retienen elevadas cantidades de agua, de forma similar al tejido natural, y pueden imitar de cerca la composición del tejido natural mediante la combinación de derivados de hidrogeles naturales. Su tridimensionalidad juega un papel crítico para mantener la función de los condrocitos, ya que el cultivo en monocapa de los condrocitos hace que desdiferencien hacia un fenotipo similar al fibroblasto secretando fibrocartílago. Los hidrogeles inyectables han acaparado la atención en la ingeniería tisular de cartílago articular debido a su capacidad para encapsular células, su inyectabilidad en el daño con cirugías mínimamente invasivas y su adaptabilidad a la forma del defecto. Siguiendo este nuevo enfoque hemos sintetizado dos nuevas familias de hidrogeles inyectables basados en la proteína natural gelatina para la ingeniería tisular del cartílago articular. La primera serie de materiales combina una gelatina inyectable con microfibras poliméricas sueltas de refuerzo para obtener composites inyectables con propiedades mecánicas mejoradas. Nuestros resultados demuestran que hay una influencia de la forma y la distribución de las fibras en las propiedades mecánicas del composite. Además, la mala interacción entre las fibras y la matriz no es capaz de reforzar el hidrogel. Debido a esto, nuestros composites han sido optimizados mediante la mejora de la interacción fibra-matriz a través de un injerto hidrófilo sobre las microfibras, con resultados muy exitosos. La segunda serie de materiales se ha inspirado en la matriz extracelular del cartílago articular y ha consistido en mezclas inyectables de gelatina y ácido hialurónico. Las moléculas de gelatina proporcionan los dominios de adhesión mediante integrinas a las células, y el ácido hialurónico aumenta las propiedades mecánicas de la gelatina. Esta combinación ha demostrado la habilidad para la diferenciación de MSCs hacia el linaje condrocítico y convierte a estos materiales en buenos candidatos para la regeneración del cartílago articular. La última parte de esta tesis se dedica a la síntesis de un material no biodegradable con propiedades mecánicas, hinchado y permeabilidad similar al cartílago. Este material pretende ser empleado como plataforma en un biorreactor en el que se simulan las cargas típicas de las articulaciones, de forma que los scaffolds encajarían en los huecos de la plataforma. Su función es simular el efecto del tejido circundante en el scaffold después de su implantación y podría reducir la experimentación anim / [CA] El cartílag articular es un teixit amb baixa capacitat d'auto-reparació deguda a la seua avascularitat i baixa població cel·lular. Es troba en la superfície de l'ós subcondral cobrint les articulacions. La degeneració del cartílag articular pot aparèixer en atletes, en persones amb processos genètics degeneratius o degut a un trauma; produeix dolor, dificultats a la mobilitat i degeneració progressiva que finalment porta a la fallida de l'articulació. L'auto-reparació es produeix quan el defecte arriba fins a l'ós subcondral i les cèl·lules mare (MSCs) de la medul·la òssia envaeixen el defecte. No obstant això, aquest nou teixit format es un cartílag de tipus fibrocartilaginós i no un cartílag hialí, el qual finalment porta a la degeneració. El transplantament de condròcits autòlegs ha sigut proposat per a regenerar el cartílag articular però aquesta teràpia falla principalment per la absència d'un material de suport (scaffold) que estimuli adequadament a les cèl·lules. L'implant de condròcits autòlegs en un hidrogel de col·lagen per als condròcits no té les propietats mecàniques apropiades, no proporciona les senyals biològiques a les cèl·lules i el teixit regenerat no és cartílag articular sinó fibrocartílag. Diferents enfocs han sigut realitzats fins ara per a obtenir un scaffold que mimetitzi millor les propietats i la composició del cartílag articular. Els hidrogels son una bona opció ja que retenen elevades quantitats d'aigua, de forma similar al teixit natural, i poden imitar acuradament la composició del teixit natural mitjançant la combinació d'hidrogels naturals. La seua tridimensionalitat juga un paper crític per a mantenir la funció dels condròcits, ja que el cultiu en monocapa dels condròcits fa que aquests desdiferencien cap a un fenotip similar al fibroblàstic secretant fibrocartílag. Recentment, els hidrogels injectables han acaparat l'atenció en l' enginyeria tissular de cartílag articular degut a la seua capacitat per a encapsular cèl·lules, la seua injectabilitat en el dany amb cirurgies mínimament invasives i la seua adaptabilitat a la forma del defecte. Seguint aquesta nova aproximació hem sintetitzat dues noves famílies d'hidrogels injectables basats en la proteïna natural gelatina per a l'enginyeria tissular del cartílag articular. La primera sèrie de materials combina una gelatina injectable amb microfibres polimèriques soltes de reforç per a obtenir compòsits injectables amb propietats mecàniques millorades. Els nostres resultats demostren que hi ha una influència de la forma i la distribució de les fibres en les propietats mecàniques del compòsit. Més importantment, la mala interacció entre les fibres i la matriu no és capaç de reforçar l'hidrogel. Degut a això, els nostres compòsits han segut optimitzats mitjançant la millora de la interacció fibra-matriu a traves d'un empelt hidròfil sobre les fibres, amb resultats molt exitosos. La segona sèrie de materials està inspirada en la matriu extracel·lular del cartílag articular i ha consistit en mescles injectables de gelatina i àcid hialurònic. Les molècules de gelatina proporcionen els dominis d'adhesió mitjançant integrines a les cèl·lules, i l'àcid hialurònic augmenta les propietats mecàniques de la gelatina. Esta combinació ha demostrat l'habilitat per a la diferenciació de MSCs cap al llinatge condrocític i converteix a aquests materials en bons candidats per a la regeneració del cartílag articular. L'última part d'aquesta tesi és dedicada a la síntesi d'un material no biodegradable amb propietats mecàniques, inflat i permeabilitat similar al cartílag. Aquest material pretén ser utilitzat com a plataforma a un bioreactor que simula les cargues típiques de les articulacions, de manera que els hidrogels o scaffolds encaixarien als buits de la plataforma. La seua funció es simular l'efecte del teixit circumdant al scaffold després d / Poveda Reyes, S. (2016). Protein-based injectable hydrogels towards the regeneration of articular cartilage [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61392 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[EN] The potential of diesel engines in terms of robustness, efficiency and energy density has made them widely used as power generators and propulsion systems. Specifically, fuel atomization, vaporization and air-fuel mixing, have a fundamental effect on the combustion process, and consequently, a direct impact on pollutant formation, fuel consumption and noise emission. Since the combustion chamber has a limited space respect to the spray penetration, wall impingement is considered to be a common event in direct injection diesel engines, having a relevant influence in the spray evolution and its interaction with both surrounding air and solid walls. This makes of spray-wall interaction an important factor for the combustion process that is still hardly understood. At cold-start conditions, the low in-chamber pressures and temperatures promote the deposition of fuel in the piston wall, which leads to a boost in the formation of unburned hydrocarbons. Additionally, modern design trends such as the increment of rail pressures in injection systems and the progressive reduction of the engine displacement, favor the emergence of spray collision onto the walls. In spite of the evident relevance of the comprehension of this phenomenon and the efforts of engine researchers to reach it, the transient nature of injection process, its small time scales and the complexity of the physical phenomena that take place in the vicinity of the wall, make challenging the direct observation of this spray-wall interaction. Even though computational tools have proven to be priceless in this field of study, the need for reliable experimental data for the development of those predictive models is present. This thesis is aimed to shed light on the fundamental characteristics of spray-wall interaction (SWI) at diesel-like chamber conditions. A flat wall was set at different impingement distances and angles respect to the spray. In this way, two different kinds of experimental investigations on colliding sprays were carried out: A transparent quartz wall was employed into the chamber to, in isolation, analyze the macroscopic characteristics of the spray at both evaporative inert and reactive conditions, which have been observed laterally and through the wall, thanks to the use of a high-pressure and high-temperature vessel with optical accesses. This same test rig was used in the second kind of experiments, where instead of the quartz plate, a stainless steel wall was used to capture the effect of the operating conditions on the heat flux between the wall and the spray during the injection-combustion events and to determine how spray and flame evolution are affected by realistic heat transfer situations. This wall was instrumented to control its initial in-chamber surface temperature and to measure its variation with time by using high-speed thermocouples. Tests at free-jet conditions were also performed in order to provide a solid comparative base for those experiments. / [ES] El potencial de los motores diesel en términos de robustez, eficiencia y la densidad de energía los ha hecho ser ampliamente usados como generadores de energía y sistemas propulsivos. Específicamente, la atomización de combustible, vaporización y mezcla de aire y combustible tienen un efecto fundamental en el proceso de combustión y, en consecuencia, un impacto directo en la formación de emisiones contaminantes, consumo de combustible y generación de ruido. Dado que la cámara de combustión tiene un espacio limitado con respecto la capacidad de penetración del chorro, el impacto de la pared se considera bastante común en motores de inyección directa diésel, que tienen una influencia relevante en la evolución del chorro y su interacción con el aire circundante y las paredes sólidas. Esto hace de interacción chorro-pared, un factor importante para el proceso de combustión que aún es dificilmente comprendido. En condiciones de arranque en frío, las bajas presiones y temperaturas en la cámara promueven la deposición de combustible en la pared del pistón, lo que conduce a un aumento en los niveles de formación de hidrocarburos no quemados. Además, las tendencias modernas de diseño como el incremento de las presiones de rail en los sistemas de inyección y la progresiva reducción en la cilindrada de los motores, favorecen la aparición de colisiones entre chorro y pared. A pesar de la evidente importancia en la comprensión de este fenómeno y los esfuerzos de los investigadores para alcanzarla, la transitoria naturaleza del proceso de inyección, sus pequeñas escalas de temporales y la complejidad de los fenómenos físicos que tienen lugar en las proximidades de la pared, hacen que la observación directa de esta interacción chorro-pared sea un desafío. Aunque las herramientas computacionales han demostrado ser invaluables en este campo de estudio, la necesidad de datos experimentales confiables para el desarrollo de esos modelos predictivos está muy presente. Esta tesis tiene como objetivo arrojar luz sobre las características fundamentales de la interacción chorro-pared (SWI por sus siglas en inglés) en condiciones de cámara similares a las de un motor diesel. Se colocó una pared plana a diferentes distancias de impacto y ángulos con respecto al jet. De esta manera, dos tipos diferentes de investigaciones experimentales sobre chorros en colisión se llevaron a cabo: se empleó una pared de cuarzo transparente en la cámara para, de forma aislada, analizar las características macroscópicas del chorro en condiciones evaporativas inertes y reactivas, que pueden observarse lateralmente y a través de la pared, gracias al uso de una instalación de alta presión y alta temperatura ópticamente accesible. Esta misma instalación se utilizó en el segundo tipo de experimentos en los que se introdujo una pared de acero inoxidable para capturar adicionalmente el efecto de las condiciones de operación en el flujo de calor entre ésta y el chorro durante los eventos de inyección y combustión y para determinar cómo la evolución del chorro y la llama son afectadas por una situación realista de transferencia de calor. Esta pared fue instrumentada para controlar la temperatura inicial de su superficie expuesta a la cámara y medir su variación con el tiempo, utilizando termopares de alta velocidad. Ensayos en condiciones de chorro libre también se realizaron para proporcionar una base comparativa sólida para esos experimentos. / [CA] El potencial dels motors dièsel en termes de robustesa, eficiència i la densitat d'energia els ha fet ser àmpliament usats com a generadors d'energia i sistemes propulsius. Específicament, l'atomització de combustible, vaporització i barreja d'aire i combustible tenen un efecte fonamental en el procés de combustió i, en conseqüència, un impacte directe en la formació d'emissions contaminants, consum de combustible i generació de soroll. Atès que la cambra de combustió té un espai limitat pel que fa la capacitat de penetració de l'raig, l'impacte de la paret es considera bastant comú en motors d'injecció directa dièsel, que tenen una influència rellevant en l'evolució del doll i la seva interacció amb el aire circumdant i les parets sòlides. Això fa d'interacció doll-paret, un factor important per al procés de combustió que encara és difícilment comprès. En condicions d'arrencada en fred, les baixes pressions i temperatures a la cambra promouen la deposició de combustible a la paret del pistó, el que condueix a un augment en els nivells de formació d'hidrocarburs no cremats. A més, les tendències modernes de disseny com l'increment de les pressions de rail en els sistemes d'injecció i la progressiva reducció en la cilindrada dels motors, afavoreixen l'aparició de col·lisions entre el doll i la paret. Tot i l'evident importància en la comprensió d'aquest fenomen i els esforços dels investigadors per aconseguir-la, la transitòria naturalesa de l'procés d'injecció, les seves petites escales de temporals i la complexitat dels fenòmens físics que tenen lloc en les proximitats de la paret , fan que l'observació directa d'aquesta interacció doll-paret siga un desafiament. Tot i que les eines computacionals han demostrat ser invaluables en aquest camp d'estudi, la necessitat de dades experimentals fiables per al desenvolupament d'aquests models predictius està molt present. Aquesta tesi té com a objectiu donar llum sobre les característiques fonamentals de la interacció doll-paret (SWI per les seues sigles en anglès) en condicions de cambra similars a les d'un motor dièsel. Es va col·locar una paret plana a diferents distàncies d'impacte i angles pel que fa al jet. D'aquesta manera, dos tipus diferents d'investigacions experimentals sobre dolls en col·lisió es van dur a terme: es va emprar una paret de quars transparent a la cambra per, de forma aïllada, analitzar les característiques macroscòpiques del doll en condicions evaporació inerts i reactives, que poden observar lateralment i a través de la paret, gràcies a l'ús d'una instal·lació d'alta pressió i alta temperatura òpticament accessible. Aquesta mateixa instal·lació es va utilitzar en el segon tipus d'experiments en els quals es va introduir una paret d'acer inoxidable per capturar addicionalment l'efecte de les condicions d'operació en el flux de calor entre aquesta i el dull durant els esdeveniments d'injecció i combustió i per determinar com l'evolució del doll i la flama són afectades per una situació realista de transferència de calor. Aquesta paret va ser instrumentada per controlar la temperatura inicial de la seua superfície exposada a la càmera i mesurar la seua variació amb el temps, utilitzant termoparells d'alta velocitat. Assajos en condicions de doll lliure també es van realitzar per proporcionar una base comparativa sòlida per a aquests experiments. / Peraza Ávila, JE. (2020). Experimental study of the diesel spray behavior during the jet-wall interaction at high pressure and high temperature conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149389

[EN] Current challenges in research and development of powertrains demand new computational tools capable of simulating vehicle operation under very diverse conditions. This is due, among other reasons, to new homologation standards in the automotive sector requiring compliance of exhaust emissions regulations under any possible driving condition on the road. Global engine or vehicle models provide many advantages to engineers because they allow to reproduce the entire system under study, considering the physical processes that take place in different components and the interactions among them. This thesis aims to enable the modeling of heat transfer processes in a complete engine simulation tool developed at CMT-Motores Térmicos research institute. This 0D/1D simulation tool is called Virtual Engine Model (VEMOD). The development of heat transfer models comprises the engine block and the ancillary systems. The model of heat transfer in the engine block deals with the central problem of in-cylinder convection by means of a combination of experimental research, CFD simulation and multizone 0D modeling. The other thermal processes present in the engine block are examined in order to implement suitable submodels. Once the model is complete, it undergoes a validation with experimental transient tests. Afterwards, the ancillary systems for engine thermal management are brought into focus. These systems are considered by means of two new models: a model of heat exchangers and a model of thermo-hydraulic circuits. The development of those models is reported in detail. Lastly, with the referred thermal models integrated in the global simulation tool, a validation study is undertaken. The goal is to validate the ability of the Virtual Engine Model to capture the thermal response of a real engine under various operating conditions. To achieve that, an experimental campaign combining tests under steady-state operation, under transient operation and at different temperatures is conducted in parallel to the corresponding simulation campaign. The capacity of the global engine simulations to replicate the measured thermal evolution is finally demonstrated. / [ES] Los retos actuales en la investigación y desarrollo de trenes de potencia demandan nuevas herramientas computacionales capaces de simular el funcionamento de un vehículo en condiciones muy diversas. Esto se debe, entre otras razones, a que los nuevos estándares de homologación en el sector de la automoción obligan al cumplimiento de las regulaciones de emisiones en cualquier condición posible de conducción en carretera. Los modelos globales de motor o de vehículo proporcionan muchas ventajas a los ingenieros porque permiten reproducir el sistema entero a estudiar, considerando los procesos físicos que tienen lugar en los distintos componentes y las interacciones entre ellos. Esta tesis pretende hacer posible el modelado de los procesos de transmisión de calor en una completa herramienta de simulación de motor desarrollada en el instituto de investigación CMT-Motores Térmicos. Esta herramienta de simulación 0D/1D se denomina Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desarrollo de modelos de transmisión de calor comprende el bloque motor y los sistemas auxiliares. El modelo de transmisión de calor en el bloque motor aborda el problema central de la convección en el interior del cilindro mediante una combinación de investigación experimental, simulación CFD y modelado 0D multizona. El resto de procesos térmicos presentes en el bloque motor son examinados para poder implementar submodelos adecuados. Una vez el modelo está terminado, se realiza una validación con ensayos experimentales en régimen transitorio. A continuación, el foco de atención pasa a los sistemas auxiliares de gestión térmica. Estos sistemas se toman en consideración por medio de dos nuevos modelos: un modelo de intercambiadores de calor y un modelo de circuitos termohidráulicos. El desarrollo de los modelos se explica en detalle en esta tesis. Por último, con los citados modelos integrados en el Motor Virtual, se lleva a cabo un estudio de validación. El objectivo es validar la capacidad del Motor Virtual para reproducir la respuesta térmica de un motor real en varias condiciones de funcionamento. Para conseguirlo, se realiza una campaña experimental que combina ensayos en régimen estacionario, en régimen transitorio y a diferentes temperaturas, en paralelo a la campaña de simulación correspondiente. La capacidad de las simulaciones globales de motor para replicar la evolución térmica medida experimentalmente queda finalmente demostrada. / [CA] Els reptes actuals en la recerca i el desenvolupament de trens de potència demanden noves eines computacionals capaces de simular el funcionament d'un vehicle en condicions molt diverses. Açò es deu, entre altres raons, a que els nous estàndards d'homologació al sector de l'automoció obliguen al compliment de les regulacions d'emissions en qualsevol condició possible de conducció en carretera. Els models globals de motor o de vehicle proporcionen molts avantatges als enginyers perquè permeten reproduir el sistema sencer a estudiar, considerant els processos físics que tenen lloc als distints components i les interaccions entre ells. Aquesta tesi pretén fer possible el modelat dels processos de transmissió de calor en una completa eina de simulació de motor desenvolupada a l'institut de recerca CMT-Motores Térmicos. Aquesta eina de simulació 0D/1D s'anomena Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desenvolupament de models de transmissió de calor comprén el bloc motor i els sistemes auxiliars. El model de transmissió de calor al bloc motor aborda el problema central de la convecció a l'interior del cilindre mitjançant una combinació de recerca experimental, simulació CFD i modelat 0D multizona. La resta de processos tèrmics presents al bloc motor són examinats per a poder implementar submodels adequats. Una vegada el model està acabat, es fa una validació amb assajos experimentals en règim transitori. A continuació, el focus d'atenció passa als sistemes auxiliars de gestió tèrmica. Aquests sistemes es prenen en consideració per mitjà de dos nous models: un model d'intercanviadors de calor i un model de circuits termohidràulics. El desenvolupament dels models s'explica en detall en aquesta tesi. Per últim, amb els referits models integrats al Motor Virtual, es porta a terme un estudi de validació. L'objectiu és validar la capacitat del Motor Virtual per a reproduir la resposta tèrmica d'un motor real en diverses condicions de funcionament. Per a assolir-ho, es realitza una campanya experimental que combina assajos en règim estacionari, en règim transitori i a diferents temperatures, en paral·lel a la campanya de simulació corresponent. La capacitat de les simulacions globals de motor per a replicar l'evolució tèrmica observada experimentalment queda finalment demostrada. / European funds received in the framework of Horizon 2020’s DiePeR project have contributed to the validation and improvement of the Virtual Engine Model. My own dedication has been funded by Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract FPI-S2-2016-1357 of “Programa de Apoyo para la Investigaci´on y Desarrollo (PAID-01-16)”. / Salvador Iborra, J. (2020). A contribution to the global modeling of heat transfer processes in Diesel engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149575

[ES] Históricamente, el sector del transporte de servicio mediano y pesado ha sido desafiado por las regulaciones de emisiones que se han impuesto a lo largo de los años, lo que requirió intensificar el esfuerzo de investigación con el objetivo de avanzar en el desarrollo tecnológico para ofrecer una opción que cumpla con las normas a un precio similar para el propietario. No obstante, la reciente introducción de la normativa EUVI ha requerido la adición de un complejo sistema de postratamiento, agregando nuevos costes fijos al producto, así como costes operativos con el consumo de urea. Este avance fue necesario debido a la limitación de la combustión diésel convencional que no puede desacoplar las altas emisiones de NOx y la eficiencia. Esta limitación tecnológica ha impulsado la investigación sobre diferentes conceptos de combustión que podrían mantener niveles de eficiencia similares a los de la combustión diésel controlando la formación de emisiones durante el proceso de combustión. Entre las diferentes soluciones que han ido apareciendo a lo largo de los años, se demostró que la Ignición por Compresión Controlada por Reactividad (RCCI por sus siglas en inglés) tiene una ventaja competitiva debido a su mejor controlabilidad, alta eficiencia y bajas emisiones de hollín y NOx. A pesar de sus beneficios, la extensión de RCCI a la operación de mapa completo ha indicado limitaciones importantes como gradientes de presión excesivos a alta carga, o alta inestabilidad de combustión y productos no quemados a baja carga del motor. Recientemente, se introdujo el concepto de combustión Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) como un intento de resolver los inconvenientes de la combustión RCCI manteniendo sus ventajas. Los resultados preliminares obtenidos en un motor mono cilíndrico (SCE por sus siglas en inglés) han demostrado que el DMDF puede alcanzar niveles de eficiencia similares a los de la combustión diésel convencional al mismo tiempo que favorece niveles ultra bajos de hollín y NOx. Si bien, los requisitos de la condición límite son difíciles de encajar en el rango operativo de sistema de gestión de aire, así como inconvenientes como el exceso de HC y CO que aún persiste en la zona de baja y media carga, lo que puede ser un desafío para el sistema de postratamiento. Además, las futuras regulaciones a corto plazo exigirán una reducción del 15 % de las emisiones de CO2 en 2025, reto que la literatura sugiere que no se logrará fácilmente solo mediante la optimización del proceso de combustión. En este sentido, esta tesis tiene como objetivo general la implementación del concepto de combustión DMDF en un motor multicilindro (MCE por sus siglas en inglés) bajo las restricciones de las aplicaciones reales para realizar una combustión limpia y eficiente en el mapa completo a la vez que brinda alternativas para reducir la concentración de HC y CO y lograr un ahorro de CO2. Este objetivo se logra mediante un primer extenso procedimiento de calibración experimental que tiene como objetivo trasladar las pautas de la combustión DMDF del SCE al MCE respetando los límites operativos del hardware original, evaluando su impacto en los resultados de combustión, rendimiento y emisiones en condiciones estacionarias y condiciones de ciclo de conducción. A continuación, se realizan estudios específicos para abordar el problema relacionado con la concentración excesiva de productos no quemados mediante investigaciones experimentales y simulaciones numéricas para comprender las consecuencias del uso de combustibles con diferente reactividad en la eficiencia de conversión del catalizador de oxidación original y su capacidad para lograr emisiones en el escape menores que el límite EUVI. Finalmente, se busca la reducción de CO2 a través de la modificación del combustible, investigando tanto la mejora del proceso de combustión como el equilibrio entre el ciclo de vida del combustible. / [CA] Històricament, el sector del transport de servei mitjà i pesat ha sigut desafiat per les regulacions d'emissions que s'han imposat al llarg dels anys, la qual cosa va requerir intensificar l'esforç d'investigació amb l'objectiu d'avançar en el desenvolupament tecnològic per a oferir una opció que complisca amb les normes a un preu similar per al propietari. No obstant això, la recent introducció de la normativa EUVI ha requerit l'addició d'un complex sistema de postractament, agregant nous costos fixos al producte, així com costos operatius amb el consum d'urea. Aquest avanç va ser necessari a causa de la limitació de la combustió dièsel convencional que no pot desacoblar les altes emissions de NOx i l'eficiència. Aquesta limitació tecnològica ha impulsat la investigació sobre diferents conceptes de combustió que podrien mantindre nivells d'eficiència similars als de la combustió dièsel controlant la formació d'emissions durant el procés de combustió. Entre les diferents solucions que han anat apareixent al llarg dels anys, es va demostrar que la Ignició per Compressió Controlada per Reactivitat (RCCI per les seues sigles en anglés) té un avantatge competitiu a causa de la seua millor controlabilitat, alta eficiència i baixes emissions de sutge i NOx. Malgrat els seus beneficis, l'extensió del RCCI a l'operació de mapa complet ha indicat limitacions importants com a gradients de pressió excessius a alta càrrega, o alta inestabilitat de combustió i productes no cremats a baixa càrrega del motor. Recentment, es va introduir el concepte de combustió Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) com un intent de resoldre els inconvenients de la combustió RCCI mantenint els seus avantatges. Els resultats preliminars obtinguts en un motor mono-cilíndric (SCE per les seues sigles en anglés) han demostrat que el DMDF pot aconseguir nivells d'eficiència similars als de la combustió dièsel convencional al mateix temps que afavoreix nivells ultra baixos de sutge i NOx. Si bé, els requisits de la condició límit són difícils d'encaixar en el rang operatiu de sistema de gestió d'aire, així com inconvenients com l'excés de HC i CO que encara persisteix en la zona de baixa i mitja càrrega, la qual cosa pot ser un desafiament per al sistema de postractament. A més, les futures regulacions a curt termini exigiran una reducció del 15% de les emissions de CO¿ en 2025, repte que la literatura suggereix que no s'aconseguirà fàcilment només mitjançant l'optimització del procés de combustió. En aquest sentit, aquesta tesi té com a objectiu general la implementació del concepte de combustió DMDF en un motor multi-cilindre (MCE per les seues sigles en anglés) sota les restriccions de les aplicacions reals per a realitzar una combustió neta i eficient en el mapa complet alhora que brinda alternatives per a reduir la concentració de HC i CO i aconseguir un estalvi de CO¿. Aquest objectiu s'aconsegueix mitjançant un primer extens procediment de calibratge experimental que té com a objectiu traslladar les pautes de la combustió DMDF del SCE al MCE respectant els límits operatius del motor original, avaluant el seu impacte en els resultats de combustió, rendiment i emissions en condicions estacionàries i condicions de cicle de conducció. A continuació, es realitzen estudis específics per a abordar el problema relacionat amb la concentració excessiva de productes no cremats mitjançant investigacions experimentals i simulacions numèriques per a comprendre les conseqüències de l'ús de combustibles amb diferent reactivitat en l'eficiència de conversió del catalitzador d'oxidació original i la seua capacitat per a aconseguir emissions al tub d'escapament menors que el límit EUVI. Finalment, es busca la reducció de CO2 a través de la modificació del combustible, investigant tant la millora del procés de combustió com l'equilibri entre el cicle de vida del combustible. / [EN] The medium and heavy-duty transport sector was historically challenged by the emissions regulations that were imposed along the years, requiring to step up the research effort aiming at advancing the product development to deliver a normative compliant option at similar price to the owner. Nonetheless, the recent introduction of EUVI normative have required the addition of a complex aftertreatment system, adding new fixed costs to the product as well as operational costs with the urea consumption. This breakthrough was required due to the limitation of the conventional diesel combustion which cannot decouple high NOx emissions and efficiency. This technological limitation has boosted the investigation on different combustion concepts that could maintain similar efficiency levels than the diesel combustion while controlling the emission formation during the combustion process. Among the different solutions that have appeared along the years, Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) was demonstrated to have a competitive edge due to its better controllability, high efficiency and low soot and NOx emissions. Despite the benefits, the extension of RCCI to full map operation has presented significant limitations, as excessive pressure gradients at high load and high combustion instability and unburned products at low engine load. Recently, Dual-Mode Dual-Fuel (DMDF) combustion concept was introduced as an attempt of solving the drawbacks of the RCCI combustion while maintaining its advantages. The preliminary results obtained in single cylinder engine (SCE) have evidenced that DMDF can achieves similar efficiency levels than those from conventional diesel combustion while promoting ultra-low levels of soot and NOx. Albeit, the boundary condition requirements are hard to fit in the operating range of commercial air management system as well as drawbacks like excessive HC and CO that still persists from low to medium load, which can be a challenge for the aftertreatment system. Moreover, short-term future regulations will demand a 15 % reduction of CO2 emissions in 2025 which was proven in the literature to not be easily achieved only by combustion process optimization. In this sense, this thesis has as general objective the implementation of the DMDF combustion concept in a multi-cylinder engine (MCE) under the restrictions of real applications to realize clean and efficient combustion in the complete map while providing alternatives to reduce the HC and CO concentration and accomplish CO2 savings. This objective is accomplished by means of a first extensive experimental calibration procedure aiming to translate the guidelines of the DMDF combustion from the SCE to the MCE while respecting the operating limits of the stock hardware, assessing its impacts on combustion, performance, and emission results under steady and driving cycle conditions. Next, dedicated studies are performed to address the issue related with the excessive concentration of unburned products by means of experimental investigations and numerical simulations, to understand the consequences of using fuels with different reactivity in the stock oxidation catalyst conversion efficiency and its ability in achieving EUVI tailpipe emissions. Finally, CO2 reduction is explored through fuel modification, investigating both combustion process improvement and well-to-wheel balance as paths to realize CO2 abatement. / This doctoral thesis has been partially supported by the Spanish Ministry of Science Innovation and Universities under the grant:"Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores" (PRE2018-085043) / Lago Sari, R. (2021). Dual Mode Dual Fuel Combustion: Implementation on a Real Medium Duty Engine Platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165366

[ES] Las regulaciones medioambientales imponen el uso de refrigerantes con cada vez menor Poder de Calentamiento Atmosférico (PCA), y obligan a que la búsqueda de refrigerantes alternativos a los actuales sea una necesidad real acorde a las tendencias del sector. El paso de los refrigerantes actuales a la utilización de refrigerantes alternativos no es inmediato ni mucho menos sencillo. La complejidad a nivel tecnológico es muy elevada, dado que el uso de un nuevo refrigerante exige diseñar y desarrollar de cero todos los componentes del circuito, puesto que poseen unas especificaciones y requerimientos de funcionamiento totalmente diferentes de los que poseen los refrigerantes actuales. La motivación principal de la tesis doctoral es la de plantear lo primeros pasos para el desarrollo de un equipo de bomba de calor para climatización que utilice un refrigerante con un bajo índice de PCA como el propano, en sustitución del que emplea la unidad actualmente (R410A), reduciendo así el impacto medioambiental del equipo y mejorando sus propiedades. Todo esto se encuentra incluido en los siguientes puntos: - Anticipar el cambio de tecnología necesario para el cumplimiento de la regulación F-GAS, asegurando menores emisiones para el medio ambiente y manteniendo la eficiencia energética actual mediante el desarrollo de equipos de bomba de calor con capacidad de modulación y con propano como fluido refrigerante. - Desarrollar herramientas de modelado y simulación para las diferentes plataformas objetivo. - Obtener conocimiento específico sobre el comportamiento de la bomba de calor mediante el análisis experimental con prototipos funcionales bajo las condiciones de trabajo especificadas, con la intención de conocer su funcionamiento, además de sus limitaciones, exigencias prácticas y sus necesidades de control. - Facilitar el diseño y desarrollo industrial de nuevos equipos de climatización mediante las herramientas de simulación y los datos experimentales obtenidos a través de prototipos funcionales. Motivada por este nuevo escenario, esta tesis se centra en estudiar qué posibilidades existen en medio-largo plazo en el desarrollo de bombas de calor para ajustarse a la regulación existente, no solo en cuanto a requerimientos ambientales sino también energéticos. Para ello, el primer paso ha sido el de realizar una sustitución directa del refrigerante original de la unidad aerotérmica, el R410A, por R290 para establecer el punto de referencia y poder conocer qué prestaciones es capaz de desarrollar esa misma unidad sin un rediseño del circuito de refrigerante. Tras esta primera evaluación, se ha llevado a cabo un estudio teórico de distintas configuraciones de circuito frigorífico con propano para evaluar las ventajas e inconvenientes entre ellas, con el objetivo de elegir la que mejor se ajuste al cumplimiento de los objetivos marcados. Este estudio se ha efectuado en tres ámbitos distintos: calefacción a baja temperatura, alta temperatura y condiciones de alta temperatura de impulsión de agua hasta 75ºC. En todos ellos, el resultado principal que se ha considerado ha sido el de eficiencia, lo que ha permitido obtener un orden de las tipologías estudiadas en función de los resultados obtenidos. A pesar de esto, esta evaluación también ha puesto de manifiesto otra característica intrínseca a cada uno de ellos como es su límite de funcionamiento en relación con la máxima temperatura de impulsión de calefacción. Tras ello, se ha construido un prototipo de bomba de calor funcional completo para ejecutar la fase experimental, que incluya hasta tres de las tipologías evaluadas en la fase teórica previa, para que, con todos los ensayos pertinentes, los resultados permitan seleccionar la tipología de circuito de refrigerante que se integre en un prototipo final. Este prototipo permitirá caracterizar el funcionamiento del sistema tanto para una plataforma aire-agua, como para una plataforma salm / [CA] Les regulacions mediambientals imposen l'ús de refrigerants amb cada vegada menor Poder d'Escalfament Atmosfèric (PCA), i obliguen a que la recerca de refrigerants alternatius als actuals sigui una necessitat real d'acord amb les tendències del sector. El pas dels refrigerants actuals a l'utilització de refrigerants alternatius no és immediat ni tampoc fàcil. La complexitat a nivell tecnològic és molt elevada, ja que l'ús d'un nou refrigerant exigeix dissenyar i desenvolupar de zero tots els components del circuit, tenint en conta que tenen unes especificacions i requeriments de funcionament totalment diferents dels que posseeixen els refrigerants actuals. La motivació principal de la tesi doctoral és la de plantejar el primers passos per al desenvolupament d'un equip de bomba de calor per a climatització que utilitzi un refrigerant amb un baix índex de PCA com el propà, en substitució del què empra la unitat actualment (R410A), reduint així l'impacte mediambiental de l'equip i millorant les seves propietats. Tot això es troba inclòs en els següents punts: - Anticipar el canvi de tecnologia necessari per al compliment de la regulació F-GAS, assegurant menors emissions per al medi ambient i mantenint l'eficiència energètica actual mitjançant el desenvolupament d'equips de bomba de calor amb capacitat de modulació i amb propà com a fluid refrigerant. - Desenvolupar ferramentes de modelatge i simulació per a les diferents plataformes objectiu. - Obtenir el coneixement específic sobre el comportament de la bomba de calor mitjançant l'anàlisi experimental amb prototips funcionals en les condicions de treball especificades, amb la intenció de conèixer el seu funcionament, a més de les seues limitacions i exigències pràctiques i les seues necessitats de control. - Facilitar el disseny i desenvolupament industrial de nous equips de climatització mitjançant les ferramentes de simulació i les dades experimentals obtingudes a través de prototips funcionals. Motivada per aquest nou escenari, aquesta tesi es centra a estudiar quines possibilitats hi ha al mitjá-llarg termini en el desenvolupament de bombes de calor per a ajustar-se a la regulació existent, no només en relació amb el requeriments ambientals sinó també energètics. Per això, el primer pas ha sigut el de fer una substitució directa del refrigerant original de la unitat aerotèrmica, el R410A, per R290 per establir el punt de referència i poder conèixer quines prestacions és capaç de desenvolupar aquesta mateixa unitat sense un redisseny del circuit de refrigerant. Després d'aquesta primera avaluació, s'ha dut a terme un estudi teòric de diferents configuracions de circuit frigorífic amb propà per avaluar els avantatges i inconvenients entre elles, amb l'objectiu de triar la que millor s'ajusti a l'acompliment dels objectius marcats. Aquest estudi s'ha efectuat en tres àmbits diferents: calefacció a baixa temperatura, alta temperatura i condicions d'alta temperatura d'impulsió d'aigua fins a 75ºC. En tots ells, el resultat principal que s'ha considerat ha sigut el d'eficiència, el que ha permès obtenir un ordre de les tipologies estudiades en funció dels resultats obtinguts. Tot i això, aquesta avaluació també ha posat de manifest una altra característica intrínseca a cada un d'ells com és el seu límit de funcionament en relació amb la màxima temperatura d'impulsió de calefacció. Després d'això, s'ha construït un prototip de bomba de calor funcional complet per executar la fase experimental, que inclogui fins a tres de les tipologies avaluades en la fase teòrica prèvia, perquè, amb tots els assajos pertinents, els resultats permeten seleccionar la tipologia de circuit de refrigerant que s'integri en un prototip final. Aquest prototip permetrà caracteritzar el funcionament de sistema tant per a una plataforma aire-aigua, com per a una plataforma salmorra-aigua, a través del canvi del bescanviador / [EN] Environmental regulations impose the use of refrigerants with less and less Global Warming Potential (GWP), and force that the search for alternative refrigerants in order to substitute the current ones is a real need according to the trends in the sector. The transition from current refrigerants to the use of alternative refrigerants is neither immediate nor simple. The complexity at the technological level is very high, since the use of a new refrigerant requires a new design and a new development for all the components along the refrigerant circuit, since they may have totally different specifications and operating requirements compared to the traditional refrigerants. The main motivation of this thesis is to present the initial stages concerning the development of a heat pump unit for space heating that uses a lo GWP refrigerant like propane, replacing the current refrigerant of the unit (R410A), leading to a reduction of the environmental impact of this equipment and improving its properties. All this has been included on the following points: - Anticipate the required technology change to be compliant with the F-GAS regulation, ensuring low-impact emissions to the atmosphere and keeping a similar energy efficiency through the development of heat pump units with heating capacity modulation and with propane as refrigerant. - Develop modelling and simulation tools for the different platforms approaches. - Obtain specific knowledge about the heat pump performance through experimental analysis with functional prototypes under the specified working conditions, with the aim of acquiring knowledge not only about its operation, but also about its limitations, practical requirements and its control needs. - Contribute to the industrial design and development of new space heating equipment using simulation tools and experimental data obtained through functional prototypes. Motivated by this new scenario, this thesis focuses on studying the available options in the medium-long term concerning the heat pump development in order to be compliant with the applicable regulations, not only in terms of environmental requirements but also energy requirements. To do this, the first step has been related to carry out a direct replacement of the original refrigerant of the aerothermal unit, R410A, with R290 to establish the reference point and to be able to know the performance of the original unit without considering a redesign of the refrigerant circuit. After this initial evaluation, a theoretical study of different refrigerant circuit configurations with propane has been carried out with the purpose of evaluating the advantages and disadvantages among them, in order to choose the one that fulfils the performance requirements the best. This study has been executed in three different areas: low heating temperature, high heating temperature and high water flow temperature conditions up to 75ºC. In all of them, the main result considered has been the efficiency, which has enabled to obtain a priority order based on the results obtained. Despite this, this evaluation has also revealed another attached feature, such as their operating limit in relation to the maximum heating flow temperature. After that, a complete functional heat pump prototype has been built to execute the experimental phase, which includes up to three of the typologies evaluated in the previous theoretical phase, so that, with all the corresponding tests, the results allow to select the typology of refrigerant circuit to be integrated into a final prototype. This prototype has also enabled the performance characterization for two different types of platforms, air-water and brine-water, by changing of the corresponding exchanger using cutting valves. In parallel to this, a certain phenomenon related to the behaviour of the refrigerant have been studied through different operating conditions for each typology as well as the proper measures to improve the system control. As / López Juárez, E. (2021). Desarrollo de una bomba de calor doméstica que usa propano como fluido de trabajo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174570

[ES] La reducción de emisiones en motores de combustión interna (MCI) es uno de los mayores desafíos técnicos de la sociedad. Aunque están surgiendo nuevas tecnologías para la movilidad, el ICE seguirá teniendo un papel clave en el transporte durante las próximas décadas. Los motores diesel son un desafío en términos de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOX) y hollín. De hecho, el último representa el 50 % de las emisiones totales de este tipo de motores. En este contexto, las nuevas tecnologías de hardware y los nuevos combustibles renovables han mostrado un gran potencial para reducir las emisiones de hollín sin afectar la eficiencia del motor (emisiones de CO2). Por esta razón, los impactos del uso de e-fuels (OMEX y FT diesel) y diferentes geometrías del bowl del pistón (reentrante, labio escalonado y labio escalonado con ondas) en la formación de hollín y el desarrollo de la combustión han sido analizados en un motor óptico mono cilíndrico diesel. Primero, se realizó una caracterización del flujo en el cilindro utilizando un pistón de geometría real (Reentrante) y aplicando la técnica de velocímetro de imágenes por partículas (PIV). Posteriormente, se analizó el movimiento de la llama, el proceso de combustión y la formación de hollín para diferentes geometrías de pistón mediante diversas técnicas ópticas como la velocímetro de imagen por combustión (CIV), luminosidad natural, quimioluminiscencia OH * y pirometría de 2 colores. Finalmente, se estudió el proceso de combustión y la formación de hollín al utilizar diferentes e-fuels aplicando las mismas técnicas ópticas utilizadas anteriormente. Además, para esta parte del estudio, se incluyó una técnica óptica específica denominada espectroscopia de alta velocidad para el análisis de hollín. Con respecto a la evaluación de las distintas geometrías del bowl, el labio escalonado y el labio escalonado con ondas presentaron una oxidación tardía del hollín que ha sido más rápida en comparación con la geometría reentrante. En condiciones extremas de hollín, también se observaron diferencias entre el labio escalonado y el labio escalonado con ondas. Se observó una oxidación más rápida del hollín para el segundo. Los e-fuels mostraron una notable reducción en la formación de hollín (especialmente OMEX) en comparación con el diesel fósil. A partir del análisis de espectroscopia, es posible afirmar la ausencia de hollín durante la combustión de OMEX puro. En general, tanto la aplicación de nuevos hardware (geometrías de bowls) como nuevos tipos de combustibles (e-fuels) en motores diesel han presentado un gran potencial para disminuir las emisiones de hollín / [CA] La reducció d'emissions en motors de combustió interna (MCI) es un dels majors reptes tècnics de la societat. Encara que estan sorgint noves tecnologies per a la mobilitat, el ICE seguirà tenint un paper clau en el transport durant les pròximes dècades. Els motors diesel son un dels reptes en termes d'emissió de contaminants, en particular òxids de nitrogen (NOX) i sutge. De fet, l'últim representa el 50% de les emissions totals d'aquest tipus de motor. Dins aquest context, les noves tecnologies de hardware y de nous combustibles renovables han mostrat un gran potencial per reduir les emissions de sutge sense afectar l'eficiència del motor (emissions de CO2). Per aquesta raó, els impactes sobre l'ús de e-fuels (OMEX i FT-diesel) i diferents geometries de bowl del pistó (re-entrant, llavi escalonat i llavi escalonat amb ones) en la formació de sutge i el desenvolupament de la combustió, han estat analitzats en un motor òptic mono-cilíndric diesel. Primer, es va realitzar una caracterització de flux en el cilindre utilitzant un pistó amb geometria real (re-entrant) i aplicant la tècnica de velocimetria de imatges per partícules (PIV). Posteriorment, es va analitzar el moviment de la flama, el procés de combustió i la formació de sutge per a diferents geometries de pistó mitjançant diverses tècniques òptiques com per exemple la de velocimetria de imatge per combustió (CIV), lluminositat natural, quimioluminescència de OH* i pirometria de 2 colors. Finalment, es va estudiar el procés de combustió i la formació de sutge utilitzant diferents e-fuels aplicant les mateixes tècniques òptiques utilitzades anteriorment. A més, per aquesta part de l'estudi, es va implementar una tècnica òptica específica denominada espectroscòpia d'alta velocitat per a l'anàlisi del sutge. Respecte a l'avaluació de les distintes geometries de bowl, els llavis escalonats i els escalonats amb ones presentaren una oxidació tardana del sutge que ha estat més ràpida en comparació amb la de geometria re-entrant. En condicions extremes de sutge, també es varen observar diferencies entre la geometria de llavi escalonat y la de llavi escalonat amb ones. Es va observar una oxidació més ràpida del sutge per al segon. Els e-fuels mostraren una reducció més ràpida del sutge (especialment l'OMEX) en comparació amb el diesel fòssil. A partir de l'anàlisi d'espectroscòpia, es possible afirmar l'absència de sutge durant la combustió de l'OMEX pur. En general, tant l'aplicació de nous hardwares (geometries de bowl) com nous tipus de combustibles (e-fuels) en motors diesel han presentat un gran potencial per a la reducció d'emissions de sutge. / [EN] The emissions reduction in internal combustion engines (ICE) is one of the greatest technical challenges of society. Although new technologies for mobility are emerging, the ICE will still have a key role in transport over the next decades. Diesel engines are challenging in terms of pollutant emissions, in particular nitrogen oxides (NOX) and particles. In fact, the last one represents 50 % of total emissions of this kind of engine. In this context, new hardware technologies as well as new renewable fuels have shown great potential to reduce soot emissions without affecting engine efficiency (CO2) emissions. For this reason, the impacts of using e-fuels (OMEX and FT-diesel) and different piston bowl geometries (re-entrant, stepped lip and stepped lip-wave bowl) on soot formation and combustion development were analyzed in a single cylinder optical diesel engine. First, an in-cylinder flow characterization when using a real bowl shape was performed by applying particle image velocimetry (PIV) technique. Subsequently, the flame movement, combustion process and soot formation were analyzed for different piston geometries through several optical techniques such as combustion image velocimetry (CIV), natural luminosity, OH* chemiluminescence and 2 color pyrometry. Finally, the combustion process and soot formation when using different e-fuels were studied by applying the same optical techniques used previously. In addition, for this part of the study, it was included a specific optical technique named high-speed spectroscopy for the soot analysis. Regarding the bowl geometries evaluation, the stepped lip and wave-stepped lip presented a faster late soot oxidation in comparison with the re-entrant geometry. Under extreme soot conditions, differences were also observed between the wave-stepped lip and the stepped lip. A faster soot oxidation was observed for the first one. The e-fuels showed a remarkable reduction in soot formation (especially OMEX) when compared with fossil diesel. From the spectroscopy analysis, it is possible to state the absence of soot during the combustion of pure OMEX. In general, the application of new hardware (bowl geometries) as well as new kind of fuels in diesel engines have presented a great potential in order to diminish the soot emissions. / This work was partially funded by Generalitat Valenciana through the Programa Santiago Grisolía (GRISOLIAP/2018/142) program. / Vargas Lewiski, FD. (2021). Analysis of the combustion process and soot formation in a single cylinder optical engine fueled with e-fuels and using different piston geometries [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180351

[ES] Las normativas cada vez más restrictivas sobre las emisiones contaminantes de los vehículos de motor impuestas por la Unión Europea han obligado a los fabricantes de equipos originales (OEM) a proporcionar a los centros de investigación herramientas e instalaciones que pueden reproducir de forma precisa y repetida diferentes condiciones atmosféricas durante las primeras etapas del desarrollo del motor. En la actualidad la legislación europea incluye pruebas de emisiones reales en conducción (RDE) en diferentes condiciones atmosféricas, con altitudes de hasta 1300 metros sobre el nivel del mar y temperaturas que alcanzan los -7 ºC. Esto se ha hecho típicamente utilizando cámaras climáticas y altimétricas que permiten la reproducción de las condiciones atmosféricas en toda la celda de prueba, y más recientemente conectando a motor simuladores de altitud acoplados con unidades de tratamiento de aire (AHU). En esta Tesis Doctoral, se presenta la mejora del simulador de altitud comercializado por la empresa HORIBA denominado MEDAS, utilizando procedimientos tanto inductivos como deductivos, con el objetivo de ampliar el rango de prestaciones de la instalación, así como mejorar la precisión del control de la presión del aire comburente y reducir el consumo energético global. Además, durante esta fase, se lleva a cabo el desarrollo de un modelo 1D del simulador de altitud, con el que es posible obtener resultados precisos sobre el desempeño de la instalación para diferentes condiciones de contorno, como puede ser el punto operativo del motor, la presión de la sala o la temperatura del agua de refrigeración. A continuación, se han desarrollado dos nuevos equipos: el Módulo de Temperatura del MEDAS (MTM) y el Módulo de Humedad del MEDAS (MHM); mejorando las estrategias de control y algunos componentes clave (por ejemplo, la columna de agua de burbujas) para controlar con precisión la temperatura y la humedad del aire de combustión. Estos dos junto con el MEDAS crean un simulador de atmósfera completo, que permite el control independiente de las tres variables psicrométricas del aire de combustión del motor: presión, temperatura y humedad. Por último, el simulador de atmósfera desarrollado se utiliza para estudiar el efecto que las tres variables psicométricas del aire ambiente tienen sobre el rendimiento y las emisiones contaminantes de un motor Diesel Euro 6 turboalimentado, demostrando el gran efecto que tiene la humedad ambiental sobre las emisiones contaminantes de los motores Diesel y la necesidad de considerar este parámetro en las estrategias de calibración. Algunos resultados obtenidos podrían ser la reducción de potencia que el motor sufre al operar en condiciones de altitud, los cambios que la temperatura ambiente causa en el punto de operación del turbo grupo o como las emisiones de NOx se reducen cuando la humedad ambiente aumenta. / [CA] Les normatives cada vegada més restrictives sobre les emissions contaminants dels vehicles de motor imposades per la Unió Europea han obligat als fabricants d'equips originals (OEM) a proporcionar als centres d'investigació eines i instal·lacions que poden reproduir de manera precisa i repetida diferents condicions atmosfèriques durant les primeres etapes del desenvolupament del motor. En l'actualitat la legislació europea inclou proves d'emissions reals en conducció (RDE) en diferents condicions atmosfèriques, amb altituds de fins a 1300 metres sobre el nivell de la mar i temperatures que aconsegueixen els -7 °C. Això s'ha fet típicament utilitzant cambres climàtiques i altimètriques que permeten la reproducció de les condicions atmosfèriques en tota la cel·la de prova, i més recentment connectant a motor simuladors d'altitud acoblats amb unitats de tractament d'aire (AHU). En aquesta Tesi Doctoral, es presenta la millora del simulador d'altitud comercialitzat per l'empresa HORIBA denominat MEDAS, utilitzant procediments tant inductius com deductius, amb l'objectiu d'ampliar el rang de prestacions de la instal·lació així com millorar la precisió del control de pressió de l'aire de combustió i reduir el consum energètic global. A més, durant aquesta fase, es du a terme el desenvolupament d'un model 1D del simulador d'altitud, amb el qual és possible obtindre resultats precisos sobre l'acompliment de la instal·lació per a diferents condicions de contorn, com pot ser el punt d'operació del motor, l'altitud d'instal·lació o la temperatura de l'aigua de refrigeració. A continuació, s'han desenvolupat dos nous equips: el Mòdul de Temperatura del MEDAS (MTM) i el Mòdul d'Humitat del MEDAS (MHM); millorant les estratègies de control i alguns components clau (per exemple, la columna d'aigua de bambolles) per a controlar amb precisió la temperatura i la humitat de l'aire de combustió. Aquests dos juntament amb el MEDAS creen un simulador d'atmosfera complet, que permet el control independent de les tres variables psicromètriques de l'aire de combustió del motor: pressió, temperatura i humitat. Finalment, el simulador d'atmosfera desenvolupat s'utilitza per a estudiar l'efecte que les tres variables psicomètriques de l'aire ambient tenen sobre el rendiment i les emissions contaminants d'un motor Dièsel Euro 6 *turboalimentado, demostrant el gran efecte que té la humitat ambiental sobre les emissions contaminants dels motors Dièsel i la necessitat de considerar aquest paràmetre en les estratègies de calibratge. Alguns resultats obtinguts podrien ser la reducció de potència que el motor pateix en operar en condicions d'altitud, els canvis que la temperatura ambient causa en el punt d'operació del turbo grup o com les emissions de NOx es redueixen quan la humitat ambiente augmenta. / [EN] Increasingly restrictive regulations on pollutant emissions for motor vehicles imposed by the European Union have forced original equipment manufacturers (OEMs) to provide research centers with tools and facilities that can accurately and repeatedly reproduce different atmospheric conditions during the early stages of engine development. Nowadays, the European legislation includes real driving emissions (RDE) tests at different atmospheric conditions, with altitudes up to 1300 meters above sea level and temperatures reaching -7 ºC. This has been done typically using altimetric and climatic chambers, which allow the reproduction of the atmospheric conditions in the whole test cell. More recently, connecting to the engine altitude simulators coupled with air handling units (AHU). In this Ph.D. Thesis, the improvement of the altitude simulator commercialized by the company HORIBA called MEDAS, carried out by inductive and deductive procedures, is presented to extend the installation's performance range, improve the combustion air pressure control accuracy, and reduce the installation global energy consumption. Furthermore, during this phase, the development of a 1D model of the altitude simulator is carried out, with which it is possible to obtain accurate results about the performance of the installation for different boundary conditions such as the engine operation point, the room pressure, or the cooling water temperature. Following, two new pieces of equipment have been developed: MEDAS Temperature Module (MTM) and MEDAS Humidity Module (MHM), improving the control strategies and some key components (i.e., the bubbles water-column) to increase the accuracy of the combustion air temperature and humidity control. Together with the MEDAS, these two create a complete atmosphere simulator, which allows the independent control of the three psychrometric variables of the engine combustion air: pressure, temperature, and humidity. Lastly, the atmosphere simulator developed is used to study the effect that the three psychometric variables of the ambient air have on the performance and the pollutant emissions of a Euro 6 turbocharged diesel engine, proving the significant effect that the ambient humidity has on the diesel engines pollutant emissions and the necessity of considering this parameter in the calibration strategies. Some results could be the reduction in power that the engine suffers when operating in altitude conditions, the changes that the ambient temperature causes at the turbocharger operative point, or the decrease in NOx emissions that happen when the ambient humidity increases. / Tabet Aleixandre, R. (2022). Development of an Installation to Emulate Altitude, Ambient Temperature, and Ambient Humidity on Thermal Engines. Application to the Study of the Impact over E6 Engine Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183753

[ES] Este trabajo está centrado en analizar el flujo y la eficiencia de turbinas de doble entrada, así como desarrollar modelos de capacidad de flujo y eficiencia que sean capaces de predecir su comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Dichas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, por lo que deben ser evaluadas adecuadamente. Se ha realizado un análisis profundo de los patrones de flujo y las principales fuentes de pérdidas mediante simulaciones CFD y campañas experimentales, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes en distintas condiciones de admisión. El análisis CFD y la campaña experimental con la técnica LDA han mostrado que el flujo de cada rama no se mezcla completamente con el otro dentro del rotor. Esto significa que las turbinas de doble entrada podrían estudiarse como dos turbinas de entrada simple trabajando en paralelo en modelos unidimensionales. Además, las áreas de entrada y salida del rotor correspondientes a cada rama dependen linealmente de la relación de gastos másicos (MFR). Los principales fenómenos de pérdidas han sido identificados. Fenómenos ya conocidos como las pérdidas por fricción en las volutas, interespacio y rotor, las pérdidas por incidencia o las pérdidas en punta de álabe se han cuantificado. Sin embargo, se han encontrado fuentes de pérdidas adicionales que ayudan a explicar el comportamiento en condiciones de admisión desiguales. Se ha encontrado una expansión brusca aguas abajo de la unión de las volutas que produce pérdidas en la rama con más presión. Aunque el flujo de cada rama no se mezcla completamente dentro del rotor, hay un intercambio de momento entre ramas producido en la región de contacto entre ramas. La rama con mayor momento transmite parte de este a la rama con menor momento. Este fenómeno produce pérdidas en la rama con mayor momento en el interespacio y el rotor, pero también produce ganancias en la rama con menor momento. Este intercambio de momento es un fenómeno esencial para entender correctamente el funcionamiento de las turbinas de doble entrada en condiciones de admisión desiguales. Finalmente, como la mezcla completa de los flujos de cada rama se produce en la región de salida, es aquí donde se computan las pérdidas por mezcla. Toda esta información se ha usado para desarrollar modelos de área efectiva y eficiencia. El modelo de área efectiva se utiliza para extrapolar en el mapa de capacidad flujo. Este modelo se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros MFR se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error menor del 3% en cada rama cuando solo se proporcionan al modelo los mapas de condiciones de admisión completa y parcial. El modelo de eficiencia se utiliza para extrapolar en el mapa de eficiencia. Este modelo también se ha validado con medidas experimentales. Su capacidad de extrapolación hacia otros valores de MFR también se ha demostrado fidedigna, obteniendo un error combinado de las dos ramas menor del 7%. Además, las predicciones que ofrece se han comparado con modelos empíricos y comerciales, obteniendo predicciones más precisas en condiciones de admisión desiguales. Como estas condiciones son las más comunes en funcionamiento real, el comportamiento estará mejor predicho la mayor parte del tiempo de operación. Esta mejora en las predicciones de las prestaciones puede ayudar a trabajar en condiciones de operación óptimas, lo que puede significar una eficiencia del motor de combustión interna mayor y su correspondiente reducción en consumo de combustible y emisión de gases contaminantes. Adicionalmente, otra turbina de doble entrada con una geometría distinta se ha analizado, encontrado un comportamiento muy similar. Los modelos desarrollados se han aplicado a esta geometría con buenos resultados, corroborando que dichos modelos proporcionan una descripción física razonable del comportamiento de las turbinas de doble entrada bajo condiciones de admisión desiguales. / [CA] El present treball està centrat en analitzar el flux i l'eficiència de turbines de doble entrada, així com desenvolupar models de capacitat de flux i eficiència que siguen capaços de predir el seu comportament en condicions d'admissió desiguals. Aquestes condicions són les més comunes en funcionament real, per la qual cosa s'han d'avaluar adequadament. S'ha realitzat una anàlisi profunda dels patrons de flux i de les principals fonts de pèrdues mitjançant simulacions CFD i campanyes experimentals, identificant i quantificant els fenòmens més importants en distintes condicions d'admissió. L'ànalisi CFD i la campanya experimental amb la tècnica LDA han mostrat que el flux de cada rama no es mescla completament amb l'altre dins del rotor. Açò significa que les turbines de doble entrada podrien estudiar-se com dues turbines d'entrada simple treballant en paral·lel en models unidimensionals. A més, les àrees d'entrada i eixida del rotor corresponents a cada rama depenen linealment de la relació de gastos màssics (MFR). Els principals fenòmens de pèrdues han estat identificats. Fenòmens ja coneguts com les pèrdues per fricció en les volutes, interespai i rotor, les pèrdues per incidència o les pèrdues en punta de pala s'han quantificat. Tanmateix, s'han trobat fonts de pèrdues addicionals que ajuden a explicar el comportament en condicions d'admissió desiguals. S'ha trobat una expansió brusca aigües avall de la unió de les volutes que produeixen pèrdues en la rama amb més pressió. Encara que el flux de cada rama no es mescla completament dins del rotor, hi ha un intercanvi de moment entre rames produit en la regió de contacte entre rames. La rama amb més moment transmet part d'aquest a la rama amb menor moment. Aquest fenomen produeix pèrdues en la rama amb major moment en l'interespai i el rotor, però també produeix guanys en la rama amb menor moment. Aquest intercanvi de moment entre rames es un fenomen essencial per a entendre correctament el funcionament de les turbines radials de doble entrada en condicions d'admissió desiguals. Finalment, com la mescla completa dels fluxos de cada rama es produeix en la regió d'eixida, és en aquesta regió on es computen les pèrdues per mescla. Tota aquesta informació s'ha utilitzat per desenvolupar models d'àrea efectiva i eficiencia. El model d'àrea efectiva s'utilitza per a extrapolar en el mapa de capacitat de flux. Aquest model s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres condicions d'admissió s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error menor del 3% en cada rama quan sols es proporciona al model els mapes de condicions d'admissió completa i parcial. El model d'eficiència s'utilitza per a extrapolar en el mapa d'eficiència. Aquest model també s'ha validat amb mesures experimentals. La seua capacitat d'extrapolació cap a altres valors d'MFR també s'ha demostrat fidedigna, obtenint un error combinat de les dues rames menor del 7%. A més, les prediccions que ofereixen els nous models basats en pèrdues han estat comparades amb models empírics i comercials, aconseguint prediccions més precises en condicions d'admissió desiguals. Com les condicions d'admissió desiguals són les més comunes en funcionament real, el comportament de les turbines de doble entrada estaran millor predites la major part del temps d'operació. Aquesta millora en les prediccions de les prestacions pot ajudar a treballar en condicions d'operació òptimes la major part del temps, el qual pot significar una major eficiència del motor de combustió interna i la seua corresponent reducció en consum de combustible i emissió de gasos contaminants. Addicionalment, una altra turbina de doble entrada amb una geometria considerablement diferent s'ha analitzat, trobant un comportament molt similar. Els models proporcionen una descripció física raonable del comportament de les turbines de doble entrada baix condicions d'admissió desiguals. / [EN] The current work focuses on the flow capacity and efficiency analysis and modelling of twin-entry radial turbines under unequal admission conditions. These conditions are the most common in real operation, so they must be properly assessed. A thorough analysis of the flow patterns within twin-entry turbines and the main sources of losses have been carried out by means of computational fluid dynamics (CFD) simulations and experimental campaigns, identifying and quantifying the most important phenomena under different admission conditions. The CFD analysis and the laser Doppler anemometry experimental campaign have shown that the flow from each branch does not fully mix within the rotor. It means that twin-entry turbines could be studied as two single-entry turbines working in parallel in one-dimensional models. Moreover, the rotor inlet and outlet areas corresponding to each branch depend linearly on the mass flow ratio (MFR). The main phenomena producing losses in twin-entry turbines have been identified. Well-known sources of losses have been quantified, such as passage losses in volutes, interspace and rotor, incidence losses or tip leakage losses. However, additional sources of losses have been found that explain the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. There is a sudden expansion downstream of the junction of the volutes that produces losses in the branch with higher pressure. Although the flow from each branch does not fully mix within the rotor, there is a momentum exchange between branches produced in the contact region between branches. The branch with higher momentum transmits some of it to the branch with lower momentum. This phenomenon produces losses in the branch with higher momentum within the interspace and the rotor, but it also produces gains in the branch with lower momentum. This momentum exchange between branches is an essential phenomenon to properly understand the behaviour of twin-entry turbines under unequal admission conditions. Finally, since the full mixing of both flows is produced in the outlet region, the mixing losses are only computed in the outlet region. The flow behaviour information extracted from the CFD simulations and experimental campaigns has been used to develop effective area and efficiency models. The effective area model is used to extrapolate the flow capacity map. The model has been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values has been proven, obtaining an error lower than 3% in each branch when only partial and full admission maps are provided to feed the model. The efficiency model is used to extrapolate the efficiency map. This model has also been validated with experimental data. Its capability of extrapolating towards other MFR values is also reliable, obtaining a combined error between both branches lower than 7%. Moreover, the predictions of this loss-based efficiency model have been compared to empirical and commercial models, obtaining more accurate predictions under unequal admission conditions. Since unequal admission conditions are the most common in real operation, the performance of twin-entry turbines could be better predicted most of the time. This improvement in the performance prediction could help to work in optimum operational points most of the time, which could lead to higher internal combustion engine efficiency and a reduction in fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, a twin-entry turbine with a considerably different geometry has been analysed, finding the same flow behaviour. The models developed have been applied to this geometry, giving good results. These results corroborate that these models provide a reasonable physical description of the behaviour of the twin-entry turbines under unequal admission conditions. / The author would like to acknowledge the financial support received through contract FPU17/02803 of the Programa de Formación de Profesorado Universitario of Spanish Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. / Medina Tomás, N. (2022). Flow Capacity and Efficiency Modelling of Twin-Entry Radial Turbines under Unequal Admission Conditions through CFD Analysis and Experiments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/185820

[ES] La ingeniería tisular ha evolucionado hacia el modelado de la fisiología humana in vitro. El microambiente de la médula ósea (BM) es también hogar de procesos malignos. El mieloma múltiple (MM) es una neoplasia hematológica caracterizada por proliferación y acumulación en la BM de células plasmáticas monoclonales. Los tratamientos han mejorado, sin embargo, sigue siendo incurable. Moléculas de la matriz extracelular como fibronectina (FN) o ácido hialurónico (HA) tienen un papel reconocido en la resistencia a fármacos (DR). La inadecuación de los modelos preclínicos bidimensionales es una de las bases del problema de DR. Se han intentado diferentes enfoques in vitro, sin embargo, se basan en hidrogeles y andamios celulares diseñados para células adherentes, mientras que las células de MM presentan crecimiento en suspensión. El objetivo principal de esta Tesis es desarrollar, optimizar y validar una plataforma de cultivo 3D, denominada microgel, basada en microesferas en un medio líquido y que coexisten con células de MM creciendo dinámicamente en suspensión. Se desarrollaron y caracterizaron diferentes microesferas con diferentes funcionalizaciones. Optimizamos un protocolo de polimerización en suspensión para la obtención de microesferas a base de acrilatos con dos composiciones diferentes (presencia (10%) o ausencia (0%) de ácido acrílico (AA)) i dos distribuciones de tamaño diferentes (< 60 y > 70 ¿m). La FN se adsorbió en la superficie de la microesfera, mientras que el HA, colágeno I y diferentes secuencias peptídicas se injertaron covalentemente. Se modificaron las microesferas comerciales Cytodex 1 para adaptar sus características a la plataforma. Se utilizaron técnicas capa por capa (LbL) para introducir HA y sulfato de condroitina (CS) en su superficie. Por tanto, se ha generado un amplio repertorio de microesferas para desarrollar microgeles. Se optimizaron y validaron las condiciones de cultivo para la plataforma de microgel. Las condiciones óptimas se establecieron como 150 rpm de velocidad de agitación utilizando un agitador orbital y microesferas de < 60 ¿m. Los microgeles con diferentes composiciones y funcionalizaciones permitieron una buena proliferación de las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S. Todos los sistemas respetaron el patrón de crecimiento en suspensión, factor que ha demostrado ser clave para su buen desempeño en cultivo 3D. En estudios iniciales de DR, la línea celular RPMI8226 cultivada en microgeles que contenían AA mostró una resistencia significativamente mayor a la dexametasona que sus cultivos en suspensión. Y las líneas RPMI8226, U226 y MM1.S cultivadas en microgeles que contenían AA mostraron una resistencia significativamente mayor a bortezomib que sus cultivos en suspensión. Por lo tanto, la presencia de AA en la matriz polimérica mostró un efecto positivo en la generación de DR in vitro y requerirá más estudios. Se ha validado la reducción de escala del sistema para trabajar con volúmenes más pequeños de microesferas y números reducidos de células, lo que es de gran relevancia para su traslación clínica. Finalmente, se han realizado cultivos preliminares con la línea celular RPMI8226 en los microgeles basados en Cytodex 1. Las microesferas de Cytodex 1 sin modificación tuvieron un efecto negativo sobre la viabilidad de las células de MM. La modificación mediante LbL con los pares quitosano/CS y quitosano/HA aumentó la viabilidad y proliferación. Sin embargo, estos sistemas no respetaron el carácter no adherente de las células MM. Hemos desarrollado y validado un novedoso sistema de cultivo basado en un medio 3D semisólido definido por microesferas y células de MM especialmente diseñado para células en suspensión. Este sistema constituye una herramienta versátil que debe explorarse más a fondo para el cultivo 3D de neoplasias hematológicas y para estudios de resistencia a fármacos in vitro. / [CAT] L'enginyeria tissular ha evolucionat cap al modelat de la fisiologia humana in vitro. El complex microambient de la medul·la òssia (BM) és també llar d'alguns processos malignes. El mieloma múltiple (MM) és una neoplàsia hematològica caracteritzada per una proliferació i acumulació a la BM de cèl·lules plasmàtiques monoclonals. Els tractaments han millorat, no obstant, el MM segueix sent incurable. Molècules de la matriu extracel·lular com fibronectina (FN) o àcid hialurònic (HA) tenen un paper reconegut en la generació de resistència a fàrmacs (DR) en MM. La inadequació dels models preclínics bidimensionals és una de les bases del problema de DR. Per això, s'han intentat diferents aproximacions in vitro, tanmateix es basen en hidrogels i andamis cel·lulars dissenyats per a cèl·lules adherents, mentre que les cèl·lules de MM presenten creixement en suspensió. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és desenvolupar, optimitzar i validar una plataforma de cultiu 3D, denominada microgel, basada en microesferes en un medi líquid i que coexisteixen amb cèl·lules de MM que creixen dinàmicament en suspensió. S'han produït i caracteritzat diferents microesferes amb diferents funcionalitzacions. S'ha optimitzat un protocol de polimerització en suspensió per a l'obtenció de microesferes d'acrilats amb dues composicions diferents (presència (10%) o absència (0%) d'àcid acrílic (AA)) i amb dos distribucions de diàmetres diferents (< 60 y > 70 ¿m). La FN es va adsorbir, mentre que el HA, el col·lagen I i diferents seqüències peptídiques es van unir covalentment. S'han modificat microesferes comercials Cytodex 1 per tal d'adaptar les seves característiques a la plataforma del microgel. Mitjançant tècniques capa a capa (LbL) s'han introduït HA i sulfat de condroïtina (CS) a la seua superfície. Per tant, s'ha generat un ampli repertori de microesferes per desenvolupar microgels. Es van optimitzar i validar les condicions de cultiu per a la plataforma de microgel. Les condicions òptimes de cultiu es varen establir com a 150 rpm de velocitat d'agitació utilitzant un agitador orbital i microesferes de < 60 ¿m. Els microgels amb diferents composicions i funcionalitzacions van permetre una bona proliferació de les línies RPMI8226, U226 i MM1.S. Tots els sistemes van respectar el patró de creixement en suspensió, factor que ha demostrat ser clau per al seu bon rendiment en cultius 3D. En estudis inicials de DR línia cel·lular RPMI8226 cultivada en microgels que contenien AA va mostrar una resistència significativament major a la dexametasona que els seus cultius en suspensió convencionals. Línies RPMI8226, U226 y MM1.S cultivades en microgels que contenien AA mostraren una resistència significativament major a bortezomib que els seus cultius en suspensió convencionals. Per tant, la presencia d'AA a la matriu polimèrica de les microesferes va mostrar un efecte positiu en termes de generació de DR in vitro, cosa que requerirà estudis futurs. S'ha validat la reducció de l'escala del sistema per treballar amb volums més petits de microesferes i menys cèl·lules, el que és de gran rellevància per a la seva translació clínica. Finalment, s'han realitzat cultius preliminars amb la línia cel·lular RPMI8226 en els microgels basats en les Cytodex 1. Les microesferes de Cytodex 1 sense modificar van mostrar efecte negatiu sobre la viabilitat de les cèl·lules de MM. La modificació mitjançant LbL amb els parells quitosà/CS i quitosà/HA va augmentar la viabilitat i proliferació de cèl·lules MM. No obstant, aquests sistemes no respectaren el caràcter no adherent de les cèl·lules de MM. S'ha desenvolupat i validat un nou sistema de cultiu cel·lular basat en un medi 3D semisòlid definit per microesferes i cèl·lules de MM, especialment dissenyat per a cèl·lules no adherents. Aquest sistema constitueix una eina versàtil que ha de ser explorada per al cultiu 3D de neoplàsies hematològiques i per a estudis de resistència a fàrmacs in vitro. / [EN] Tissue engineering has evolved towards modeling of human physiology in vitro. The bone marrow (BM) microenvironment is likewise the home of some malignant processes. Multiple myeloma (MM) is a hematological neoplasia characterized by proliferation and BM accumulation of monoclonal plasma cells. Treatments have improved; however, MM remains incurable. Extracellular matrix molecules such as fibronectin (FN) or hyaluronic acid (HA) have a recognized role in drug resistance (DR). The inadequacy of two-dimensional preclinical models is one cause of the DR problem, different in vitro approaches have been developed, however, all these studies are based on hydrogels and scaffolds designed for adherent cells while MM cells are suspension growing cells. The main objective of this Thesis is to develop, optimize and validate a 3D culture platform, termed as microgel, based on microspheres suspended in a liquid media and coexisting with MM cells growing dynamically in suspension. Different microspheres with different functionalities were developed and characterized. We optimized a suspension polymerization protocol for the obtention of acrylates-based microspheres with two different compositions: with presence (10%) or absence (0%) of acrylic acid (AA). We obtained two different size distributions (< 60 and > 70 ¿m). FN was adsorbed on microsphere surface, while HA, collagen I and different peptide sequences were covalently grafted. Commercial Cytodex 1 microspheres were modified to adapt their characteristics to the microgel platform. Layer-by-layer (LbL) technics were used to introduce HA and chondroitin sulfate (CS) on Cytodex 1 surface. Therefore, a wide repertoire of microspheres has been generated to develop microgels. The culture conditions for the microgel platform were optimized and validated. Agitation is needed to keep microspheres and cells in suspension. Optimal culture conditions were 150 rpm of stirring speed using orbital shaker and < 60 ¿m diameter microspheres. Microgels with different compositions (0% AA, 10% AA) and functionalizations (none, HA, FN, collagen 1 and peptide sequences) allowed good proliferation of RPMI8226, U226 and MM1.S cells under 3D conditions. All the 3D systems respected the suspension growth pattern which appears as key factor for their good performance in 3D culture. In the initial DR studies, we found that MM cell line RPMI8226 cultured in microgels containing AA showed significantly higher resistance to dexamethasone than their conventional suspension cultures. And that MM cell lines RPMI8226, U226 and MM1.S cultured in microgels containing AA showed significantly higher resistance to bortezomib than their conventional suspension cultures. Thus, AA in the polymeric microsphere matrix showed a positive effect on the generation of DR in vitro and will require further studies. The scale-down of the system to work with smaller volumes of microspheres and reduced cell numbers has been validated, this is of great relevance for their clinical application. Finally, preliminary cultures with the cell line RPMI8226 have been performed with the Cytodex 1-based microgels. Cytodex 1 microspheres without modification had a negative effect on MM cells viability. LbL modification with the pairs chitosan/CS and chitosan/HA increased MM cells viability and proliferation. However, these systems did not respect the non-adherent character of MM cells. We have developed and validated a novel cell culture system based on a semi-solid 3D media defined by microspheres and MM cells which is specially designed for cells in suspension. It represents a versatile tool that should be further explored for the 3D culture of hematological malignancies and drug resistance studies in vitro. / Me gustaría agradecer al Servicio de Microscopía de la UPV y a sus técnicos por su valiosa ayuda con las técnicas de microscopía electrónica, a la Agencia Estatal de Investigación (proyecto PID2019-106099RB-C41 / AEI / 10.13039/501100011033) y al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (ayuda predoctoral FPU17/05810) que han financiado esta Tesis. / Clara Trujillo, S. (2022). Development of a 3D in Vitro Disease Model for Multiple Myeloma [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186054