Cette thèse porte sur la modélisation numérique des écoulements ouverts de convection naturelle au sein d'un canal vertical asymétriquement chauffé à flux constant. Elle s'inscrit dans un contexte national de comparaison associant approches numériques (benchmark de la Société Française de Thermique SFT) et expérimentales. La particularité de ce type d'écoulement réside dans le fait que le moteur du mouvement est situé au sein même de l'écoulement, rendant alors difficile la modélisation des interfaces et par conséquent la définition des conditions aux limites à appliquer aux frontières ouvertes du domaine de calcul. Nous proposons ici deux approches numériques de modélisation de ce type d'écoulement. La première approche consiste à inclure à la fois le canal vertical et son environnement extérieur dans le domaine de calcul. Cette approche intègre les interactions canal - environnement extérieur de manière implicite et nous permet d'obtenir une description complète de l'écoulement et ainsi de caractériser les interfaces du canal. Sur la base de ces simulations, des solutions numériques de référence modélisant un écoulement de convection naturelle dans un canal vertical immergé dans un environnement infini sont établies. La deuxième approche consiste à restreindre le domaine de calcul aux limites géométriques du canal. Plusieurs méthodes de résolution et modélisation des interfaces sont alors proposées et comparées avec les solutions de référence précédentes. Une approche originale basée sur des conditions limites de type Robin pour la pression motrice montre ainsi de très bon accords avec les solutions de référence. / This thesis focuses on the numerical modeling of natural convection flows in a vertical channel asymmetrically heated at constant heat flux. It takes place in a national context of comparison of numerical approaches (benchmark of the French Thermic Society SFT) and experimental approaches. The main issues result in the fact that the driving forces lie within the computational domain so inlet and outlet flow cannot be a priori prescribed. Therefore it is difficult to model the interfaces and to prescribe boundary conditions at the open frontiers of the computational domain. We propose two numerical approaches for modeling this type of flow. In the first approach the numerical domain includes the vertical channel and its external surroundings in the computational domain. This approach implicitly integrates interactions between the channel and its external environment. This allows us to obtain a complete description of the flow and thus to characterize the channel interfaces. Based on these simulations, numerical reference solutions which are modeling a natural convection flow in a vertical channel immersed in a infinite environment are established. In the second approach the computational domain is restricted to the geometric limits of the channel. Several methods for the numerical resolution and for modeling of the interfaces are proposed and then compared with the previous reference solutions. An original modeling based on Robin boundary conditions for the driving pressure is described and shows very good agreement with the reference solutions.

[pt] Neste trabalho foi desenvolvido um programa para simulação numérica do fluxo bifásico em meios porosos com transferência de massa entre as duas fases e transporte dos solutos em cada fase. O programa calcula o aumento da mobilidade da fase não aquosa e da solubilidade de seus componentes na água como resultado da adição de um co- solvente. O objetivo foi simular problemas de contaminação no subsolo com líquidos imiscíveis com a água e a remediação através da técnica de injeção de co-solventes, assim como a contaminação a partir de vazamentos de gasolina acrescida de álcool em postos de abastecimento. Podem-se ainda resolver problemas de fluxo bifásico envolvendo uma fase gasosa. Foi desenvolvido e implementado um modelo para a transferência de massa durante o fluxo das duas fases. O cálculo das propriedades das duas fases ao longo do tempo é feito utilizando o diagrama ternário de fases. Para resolver as equações do fluxo e do transporte de solutos foi empregado o método de elementos finitos. / [en] A computer code was developed for numerical simulation of two-phase flow in porous media considering mass transfer between the phases involved and solute transport in each phase. Enhanced mobility of nonaqueous phase and enhanced aqueous solubility of its components as a result of cosolvent injection are calculated. The objective of this work was to simulate subsurface contamination by nonaqueous phase liquids and remediation utilizing cosolvent injection technique, and also contamination by gasoline with alcohol from fuel tanks. It is also possible to solve two-phase flow problems involving a gaseous phase. A model for mass transfer during two-phase flow was developed and implemented. Properties variation with time for both phases is calculated using ternary phase diagram. Finite element method was used to solve flow and solute transport equations.

The objective of this research is to evaluate a coastal prediction system under various real world scenarios to test the efficacy of the system as a management tool in Tampa Bay. The prediction system, comprised of a three-dimensional numerical circulation model and a Lagrangian based particle tracking model, simulates oceanographic scenarios in the bay for past (hindcast), present (nowcast) and future (forecast) time frames. Instantaneous velocity output from the numerical circulation model drives the movement of particles, each representing a fraction of the total material, within the model grid cells. This work introduces a probability calculation that allows for rapid analysis of bay-wide particle transport. At every internal time step a ratio between the number of particles in each individual model grid cell to the total number of particles in the entire model domain is calculated. These ratios, herein called transport quotients, are used to construct probability maps showing locations in Tampa Bay most likely to be impacted by the contaminant. The coastal prediction system is first evaluated using dimensionless particles during an anhydrous ammonia spill. In subsequent studies biological and chemical characteristics are incorporated into the transport quotient calculations when constructing probability maps. A salinity tolerance is placed on particles representing Karenia brevis during hindcast simulations of a harmful algal bloom in the bay. Photobleaching rates are incorporated into probability maps constructed from hindcast simulations of seasonal colored dissolved organic matter (CDOM) transport. The coastal prediction system is made more robust with the inclusion of biological parameters overlaid on top of the circulation dynamics. The system successfully describes the basic physical mechanisms underlying the transport of contaminants in the bay under various real world scenarios. The calculation of transport quotients during the simulations in order to develop probability maps is a novel concept when simulating particle transport but one which can be used in real-time to support the management decisions of environmental agencies in the bay area.

Reducing agricultural nutrient loading in Iowa is critical to achieving Gulf of Mexico hypoxia water quality goals. Iowa comprises 4.4% of the Mississippi-Atchafalaya River Basin but contributes an average of 29% of the annual nitrate (NO3-N) load to the Gulf of Mexico (Jones et al., 2018). The main goal of this research was to study nitrogen fate and transport in agricultural areas of Iowa at different spatial scales using a unique combination of water monitoring and numerical modeling. High-frequency, continuous water quality monitoring provided valuable insights into stream and wetland NO3-N dynamics. A biogeochemical model was written and coupled to a spatially distributed, surface-subsurface hydrologic model to perform continuous (multi-year) nitrogen fate and transport simulations at the field, wetland, and watershed scales. Field scale simulations of a tile-drained, corn-soybean rotation under conventional agricultural management over a 5-yr period illustrated strengths and weaknesses of the soil nitrogen model. Using a simplified approach to describe soil organic matter dynamics, the simulated annual nitrogen balance and NO3-N loss in tile drainage were comparable to observations and literature estimates. However, the model was not able to predict the correct response of NO3-N loss in tile drainage to fertilizer rate, which was attributed in part to limitations with the current plant uptake function which did not capture the nonlinear relationship expected between fertilizer rate and crop nitrogen uptake. NO3-N removal was quantified at one of Iowa’s largest constructed wetlands using high-frequency (15-min), continuous water quality monitoring and hydrologic modeling. The wetland reduced incoming NO3-N concentrations 49% and loads by an estimated 61 kg day-1 from May-Nov over a 3-yr period. Wetland removal was influenced by both hydrologic and biological conditions; mass removal was greatest in Jun when discharge and NO3-N loading were highest, while percent removal was greatest in Aug when discharge was low, water residence times in the wetland were high, and warm water temperatures enhanced processing. The high-frequency monitoring captured NO3-N dynamics not possible with traditional lower frequency grab sampling, including concentration dynamics connected to storm events telling of sources and pathways of NO3-N delivery, diurnal variations in concentration indicative of biological processes, and the marked variability in wetland removal performance during low and high flow conditions. Over 5600 wetlands of similar removal performance treating over 60% of Iowa’s area and costing $1.5 billion would be required to reduce the state’s baseline NO3-N load by 45%. The high-frequency monitoring guided and informed numerical simulations of nitrogen fate and transport at the wetland and watershed scales. Wetland simulations using imposed discharge and water quality conditions upstream of the wetland (inlet) and first order, temperature dependent kinetics produced satisfactory daily and monthly predictions of NO3-N concentration and water temperature downstream of the wetland (outlet) from May-Nov in 3/4 and 4/4 study years, respectively. NO3-N predictions were most sensitive to the denitrification first order rate constant and temperature during low discharge periods and least sensitive to both during storm events. Temperature dependent kinetics were necessary to accurately predict wetland NO3-N removal in late summer. The continuous watershed simulations produced satisfactory monthly predictions of inlet and outlet NO3-N concentration and outlet water temperature. Consistent with findings from other modeling studies, annual nitrogen components and NO3-N dynamics were simulated reasonably well under average hydrologic conditions, while simulated NO3-N dynamics weakened under extreme (wet) hydrologic conditions. Temperature was important for predicting the seasonality of wetland NO3-N removal during the growing season, while other factors such as organic carbon and dissolved oxygen may be more influential outside the growing season when removal can still occur despite cold conditions. A preliminary evaluation of six recently constructed wetlands that detain and process agricultural runoff from 12% of a 45 km2 watershed in north central Iowa estimated sizable flood and NO3-N reductions locally which diminished moving downstream. Continuous watershed simulations over a 13 month period following wetland implementation estimated peak flow reductions of 3-43% at the wetlands that dissipated with drainage area; similarly, the wetlands reduced NO3-N loads by an estimated 7-25% locally and 2% at the watershed outlet. Further refinements to the biogeochemical-hydrologic model are needed to improve simulated NO3-N dynamics in order to more reliably assess downstream flow and NO3-N reduction benefits. This work identified limitations with the current modeling approach, areas of future work, and offers recommendations to guide future conservation design. Sensible hydrologic predictions are imperative to the success and dependability of the water quality simulations, which may seem obvious but can be difficult to ascertain in ungauged catchments. Future work aspires to couple a complete agricultural systems model with a physically-based hydrologic model to simulate the nitrogen cycle in a more comprehensive manner to assess which field scale nitrogen processes are most important to accurately predict stream nutrient loading at the watershed scale. Constructed wetlands could provide greater flood and nutrient reduction benefits if the normal pool hydraulics were designed with smaller hydraulic structures that more effectively throttle down incoming flows and provide the opportunity for active rather than passive pool management. As the ultimate goal of this research and other like work is to quantify progress of water quality goals set forth by the Gulf Hypoxia Task Force and help guide future conservation practice implementation, continued investment in science-based water research, water monitoring, and water modeling is necessary.

[EN] In the first part of the current thesis, two fundamental numerical models (Fin2D-W and Fin1D-MB) for analyzing the air-side performance of minichannel evaporators were developed and verified. The Fin2D-W model applies a comprehensive two-dimensional scheme to discretize the evaporator. On the other hand, the Fin1D-MB model is based on the one-dimensional fin theory in conjunction with the moving boundaries technique along the fin height. The first objective of the two presented models is to identify and quantify the most influential phenomena encountered in the process of cooling and dehumidification. The second objective is to study the impact of the classical modeling assumptions on the air-side performance of minichannel evaporators. Different comparative studies between the traditional Effectiveness-NTU approach and the proposed numerical models were implemented to achieve the mentioned goals. The results revealed that the modeling assumptions which have the most significant impacts on the heat and mass transfer rates are: the uniform air properties along the fin height, adiabatic-fin-tip at half the height, and negligence of partial dehumidification scenarios. These widely used assumptions resulted in substantial deviations in total heat transfer rate, up to 52%, between the Effectiveness-NTU approach and Fin2D-W model. In the second part of the thesis, the Fin1D-MB model was integrated into the IMST-ART® simulation tool to evaluate the global performance of minichannel evaporators (air- and refrigerant-side). The Fin1D-MB model was selected because of its simplicity, calculation speed, and reasonable solution accuracy relative to the Fin2D-W model. The validation of the complete Fin1D-MB model was conducted against many experimental data and numerical models available in the literature. The validation process was achieved for different heat exchanger geometries, refrigerants, and operating conditions. The results showed that for the R134a minichannel evaporators studied, the Fin1D-MB model successfully predicted the Inlet refrigerant and outlet air temperatures, cooling capacity, and refrigerant-side pressure drop within error bands of ±0.5 ºC, ±5%, and ±20%, respectively. For the CO2 (R744) minichannel evaporator studied, the presented model estimated the cooling capacity and outlet air temperature within error bands of ±10% and ±1.0 ºC, respectively. Regarding the CO2 pressure drop, the Fin1D-MB model generally underpredicted the pressure drop values compared to the experimental data, with a maximum deviation of 11 kPa. / [ES] En la primera parte de la tesis actual, dos modelos numéricos fundamentales (Fin2D-W y Fin1D-MB) para analizar el lado del aire de los evaporadores de minicanales se han desarrollado y verificado. El modelo Fin2D-W aplica un esquema detallado de dos dimensiones para discretizar el evaporador mientras que el modelo Fin1D-MB se basa en la teoría de la aleta unidimensional junto con la técnica de fronteras móviles para el lado del aire. El primer objetivo de los dos modelos presentados es identificar y cuantificar los fenómenos más influyentes encontrados en el proceso de enfriamiento y deshumidificación. El segundo objetivo es estudiar el impacto de las hipótesis comúnmente usadas en el modelado de la transmisión de calor del aire de los evaporadores de minicanales. Se implementaron diferentes estudios comparativos entre el enfoque tradicional Effectiveness-NTU y los modelos numéricos propuestos para alcanzar los objetivos mencionados. Los resultados muestran que las hipótesis que provocan una mayor desviación con respecto a la solución detallada en la transferencia de calor y masa son: propiedades de aire uniforme a lo largo de la altura de la aleta, extremo adiabático de aleta a mitad de su longitud, y no contemplar el supuesto de deshumidificación parcial en la aleta. Estas hipótesis ampliamente utilizadas han resultado en errores importantes en la transferencia de calor total, hasta un 52%, entre el enfoque Effectiveness-NTU y el modelo Fin2D-W. En la segunda parte de la tesis, el modelo Fin1D-MB se integró en la herramienta de simulación IMST-ART® para evaluar el rendimiento global de los evaporadores de minicanales (en el lado del aire y del refrigerante). El modelo Fin1D-MB se seleccionó gracias a su simplicidad, velocidad de cálculo, y solución de una precisión razonable relativa al modelo Fin2D-W. Se realizó una validación del modelo completo Fin1D-MB con la ayuda de datos experimentales y modelos numéricos ya disponibles en la literatura. El modelo se ha validado para diferentes geometrías de intercambiadores de calor, refrigerantes y condiciones de funcionamiento. Los resultados han mostrado que para los evaporadores de minicanales funcionando con el refrigerante R134a, el modelo Fin1D-MB predice de manera correcta las temperaturas de entrada del refrigerante y de salida del aire, la capacidad de enfriamiento, y la caída de presión del lado de refrigerante dentro de las bandas de error de ±0.5 ºC, ±5%, y ±20%, respectivamente. Para el evaporador de minicanales con CO2 (R744) estudiado, el modelo estima la capacidad de refrigeración y la temperatura de salida del aire dentro de las bandas de error de ±10% y ±1.0 ºC, respectivamente. En cuanto a la caída de presión de CO2, el modelo Fin1D-MB generalmente predice a la baja los valores de la caída de presión en comparación con los datos experimentales, con una desviación máxima de 11 kPa. / [CAT] A la primera part de la tesi actual, dos models numèrics fonamentals (Fin2D-W i Fin1D-MB) per analitzar el costat de l'aire dels evaporadors de minicanals s'han desenvolupat i verificat. Al model Fin2D-W s'aplica un esquema detallat de dues dimensions per discretitzar l'evaporador mentre que al model Fin1D-MB es basa en la teoria d'aleta unidimensional juntament amb la tècnica de frontera mòbil per al costat de l'aire. El primer objectiu dels dos models presentats és identificar i quantificar els fenòmens més influents trobats en el procés de refredament i deshumidificació. El segon objectiu és estudiar l'impacte de les hipòtesis comunament utilitzades en el modelatge de la transmissió de calor de l'aire dels evaporadors de minicanals. Es van implementar diferents estudis comparatius entre l'enfocament tradicional Effectiveness-NTU i els models numèrics proposats per assolir els objectius esmentats. Els resultats mostren que les hipòtesis que provoquen una major desviació respecte a la solució detallada a la transferència de calor i massa són: propietats d'aire uniforme al llarg de l'altura de l'aleta, extrem adiabàtic d'aleta a la meitat de la seua longitud, i no contemplar el supòsit de deshumidificació parcial en l'aleta. Aquestes hipòtesis àmpliament utilitzades donen errors importants en la transferència de calor total, fins a un 52%, entre l'enfocament Effectiveness-NTU i el model Fin2D-W. A la segona part de la tesi, el model Fin1D-MB es va integrar en l'eina de simulació IMST-ART® per avaluar el rendiment global dels evaporadors de minicanals (al costat de l'aire i del refrigerant). El model Fin1D-MB es va seleccionar gràcies a la seva simplicitat, velocitat de càlcul, i solució d'una precisió raonable relativa al model Fin2D-W. Es va realitzar una validació del model complet Fin1D-MB amb l'ajuda de dades experimentals i models numèrics ja disponibles a la literatura. El model s'ha validat per a diferents geometries d'intercanviadors de calor, refrigerants i condicions de funcionament. Els resultats mostren que per als evaporadors de minicanals funcionant amb el refrigerant R134a, el model Fin1D-MB prediu de manera correcta les temperatures d'entrada del refrigerant i de sortida de l'aire, la capacitat de refreda-ment, i la caiguda de pressió del costat de refrigerant dins de les bandes d'error de ±0.5 ºC, ±5%, i ±20%, respectivament. Per a l'evaporador de minicanals amb CO2 (R744) estudiat, el model estima la capacitat de refrigeració i la temperatura de sortida de l'aire dins de les bandes d'error de ±10% i ±1.0 ºC, respectivament. Pel que fa a la caiguda de pressió de CO2, el model Fin1D-MB generalment prediu a la baixa els valors de la caiguda de pressió en comparació amb les dades experimentals, amb una desviació màxima d'11 kPa. / Hassan, AHA. (2016). Development and Validation of a Minichannel Evaporator Model under Dehumidification [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/71357 / TESIS

Los modelos numéricos son herramientas fundamentales para realizar predicciones de muchos problemas enfrentados por ingenieros geotécnicos y geoambientales. Sin embargo, para que estos modelos puedan realizar predicciones confiables, los parámetros de entrada del modelo deben ser estimados considerando el efecto escala. En este contexto, esta tesis se concentra en las reglas del cambio de escala de los parámetros de flujo y transporte de masa en un suelo tropical a través de estudios numéricos, de laboratorio y de campo. Esta está organizada en cuatro partes. Primero, la heterogeneidad, correlación y correlación cruzada entre los parámetros de transporte de solutos (dispersividad, ¿, y coeficiente de partición, Kd) y las propiedades del suelo fueron estudiadas en detalle. En esta parte fue verificado que la conductividad hidráulica (K) y los parámetros de transporte de solutos son altamente heterogéneos, mientras que las propiedades del suelo no lo son. La correlación espacial de ¿ y K con variables estadísticamente significativas fue estudiada. Este resultado probablemente podrá mejorar la estimación en casos de estudios de pequeña escala debido a que solo fue observada correlaciones de hasta 2,5 m. Este estudio fue un primer intento de evaluar la variación espacial en el coeficiente de correlación de los parámetros de transporte de un soluto reactivo y de un no reactivo, indicando las variables más relevantes y aquella que debería ser incluida en estudios futuros. En la segunda parte, el efecto escala en K, dispersividad y coeficiente de partición de potasio y clorito fue estudiado experimentalmente a través de experimentos de laboratorio y de campo. El objetivo de esta parte fue contribuir a la discusión sobre el efecto escala en K, ¿ y Kd, y entender como estos parámetros se comportan con el cambio de escala de medición. La dispersividad tiende a aumentar con la altura de la muestra de manera exponencial. El coeficiente de partición tiende a aumentar con la altura, el diámetro y el volumen de la muestra. Estas diferencias encontradas en los parámetros de acuerdo con la escala de medición deben ser considerados cuando estos valores sean usados posteriormente como datos de entrada de modelos numéricos; de otra manera, las respuestas pueden ser malinterpretadas. Tercero, análisis estocásticos tridimensionales de cambio de escala de la conductividad hidráulica fueron realizados usando los métodos de promedios simples y de Laplace con piel para una variedad de tamaños de bloques usando mediciones reales de K. En esta parte son demostrados los errores que pueden ser introducidos al usar métodos determinísticos de cambio de escala usando promedios simples de las mediciones de K sin llevar en consideración la correlación espacial. La aplicación muestra que la heterogeneidad de K puede ser incorporada en la práctica diaria del modelador geotécnico. Los aspectos que considerar durante un proceso de cambio de escala también son discutidos. Finalmente, la dependencia del exponente de la norma-p como función del tamaño del bloque fue analizada. En la última parte, una aplicación de cambio de escala estocástico del coeficiente de dispersión hidrodinámica D y del factor de retardo R fue realizada usando datos reales con el objetivo de reducir la falta de casos de investigación experimental de cambio de escala de parámetros de transporte de solutos reactivos. El cambio de escala de D fue realizado usando el método de macrodispersión. El método de promedio simple de norma-p fue usado para realizar el cambio de escala de R. Una buena propagación de incertidumbres fue alcanzada. Métodos simples de cambio de escala pueden ser introducidos en la práctica del modelaje usando programas comerciales de transporte y conseguir reproducir el transporte en escala gruesa, pero puede requerir correcciones con el objetivo de reducir el efecto de suavizado de la heterogeneidad causado por el / Numerical models are becoming fundamental tools to predict a range of complex problems faced by geotechnical and geo-environmental engineers. However, to render the model reliable for future predictions, the model input parameters must be determined with consideration of the scale effects. In this context, this thesis focuses on upscaling of water flow and mass transport in a tropical soil by means of numerical, laboratory and field studies. This thesis is organized in four parts. First, the heterogeneity, correlation and cross-correlation between solute transport parameters (dispersivity, ¿, and partition coefficient, Kd) and soil properties were studied in detail. In this part, it was verified that the hydraulic conductivity (K) and solute transport parameters are highly heterogeneous, while soil properties not. Spatial correlation of ¿, K, and statistically significant variables were studied, and it would probably improve the estimation only in a small-scale study, since the spatial correlation were only observed up to 2.5 m. This study was a first attempt to evaluate the spatial variation in the correlation coefficient of transport parameters of a reactive and a nonreactive solute, indicating the more relevant variables and the one that should be included in future studies. In the second part, scale effect on K, dispersivity and partition coefficient of potassium and chloride is studied experimentally by means of laboratory and field experiments. The purpose of was to contribute to the discussion about scale effects on K, ¿ and Kd and understanding how these parameters behave with the change in the scale of measurement. Results shows that K increases with scale, regardless of the method of measurement. Dispersivity trends to increases exponentially with the sample height. Partition coefficient, tend to increase with sample length, diameter and volume. These differences in the parameters according to the scale of measurement must be considered when these observations are later used as input to numerical models, otherwise the responses can be misrepresented. Third, stochastic analysis of three-dimensional hydraulic conductivity upscaling was performed using a simple average and the Laplacian-with-skin methods for a variety of block sizes using real K measurements. In this part it was demonstrated the errors that can be introduced by using a deterministic upscaling using simple averages of the measured K without accounting for the spatial correlation. The application shows that K heterogeneity can be incorporated in the daily practice of the geotechnical modeler. The aspects to consider when performing the upscaling were also discussed. Finally, the dependence of the exponent of the p-norm as a function of the block size was analyzed. In the last part, an application of stochastic upscaling of hydrodynamic dispersion coefficient (D) and retardation factor (R) was performed using real data aiming to reduce the lack in experimental upscaling of reactive solute transport research. Upscaling of D was done using macrodispersion method. Simple average method based on p-norm was used to perform R upscaling. A good propagation of the uncertainties was achieved. Simple upscaling methods can be incorporated to the modeling practice using commercial transport codes and properly reproduce de transport at coarse scale but may require corrections to reduce smoothing of the heterogeneity caused by the upscaling procedure. / Els models numèrics s'estan constituint en eines fonamentals per a realitzar prediccions d'una àmplia gamma de problemes enfrontats per enginyers geotècnics i geoambientales. No obstant açò, perquè aquests models puguen realitzar prediccions fiables, els paràmetres d'entrada del model han de considerar l'efecte escala. En aquest context, aquesta tesi es concentra en les regles del canvi d'escala dels paràmetres de flux i transport de massa en un sòl tropical a través d'estudis numèrics, de laboratori i de camp. Aquesta tesi està organitzada en quatre parts. Primer, l'heterogeneïtat, correlació i correlació creuada entre els paràmetres de transport de soluts (dispersivitat, ¿, i coeficient de partició, Kd) i les propietats del sòl van ser estudiades detalladament. En aquesta part va ser verificat que la conductivitat hidràulica (K) i els paràmetres de transport de soluts són altament heterogenis, mentre que les propietats del sòl no ho són. La correlació espacial de ¿ i K amb variables estadísticament significatives va ser estudiada. Aquest resultat probablement podrà millorar l'estimació en casos d'estudis de xicoteta escala a causa que solament va ser observada correlacions de fins a 2,5 m. Aquest estudi va ser un primer intent d'avaluar la variació espacial en el coeficient de correlació dels paràmetres de transport d'un solut reactiu i d'un no reactiu, indicant les variables més rellevants i aquelles que haurien de ser inclosas en estudis futurs. En la segona part, l'efecte escala en K, dispersivitat i coeficient de partició de potassi i clorito va ser estudiat experimentalment a través d'experiments de laboratori i de camp. L'objectiu d'aquesta part va ser contribuir a la discussió sobre l'efecte escala en K, ¿ i Kd, i entendre com aquests paràmetres es comporten amb el canvi d'escala de mesurament. La dispersivitat tendeix a augmentar amb l'altura de la mostra, és a dir, amb la longitud del transport, de manera exponencial. El coeficient de partició tendeix a augmentar amb l'altura, el diàmetre i el volum de la mostra. Aquestes diferències en els paràmetres d'acord amb l'escala de mesurament han de ser considerats quan aquests valors siguen usats posteriorment com a dades d'entrada de models numèrics; d'una altra manera, les respostes poden ser malament interpretades. Tercer, anàlisis estocàstiques tridimensionals de canvi d'escala de la conductivitat hidràulica van ser realitzats usant els mètodes de mitjanes simples i de Laplace amb pell per a una varietat de grandàries de blocs usant mesuraments reals de K. En aquesta part són demostrats els errors que poden ser introduïts en usar mètodes determinístics de canvi d'escala usant mitjanes simples dels mesuraments de K sense tindre en consideració la correlació espacial. L'aplicació mostra que l'heterogeneïtat de K pot ser incorporada en la pràctica diària del modelador geotècnic. Els aspectes a considerar durant un procés de canvi d'escala també són discutits. Finalment, la dependència de l'exponent de la norma-p com a funció de la grandària del bloc va ser analitzada. En l'última part, una aplicació de canvi d'escala estocàstic del coeficient de dispersió hidrodinámica D i del factor de retard R va ser realitzada usant dades reals amb l'objectiu de reduir la falta de casos de recerca experimental de canvi d'escala de paràmetres de transport de soluts reactius. El canvi d'escala de D va ser realitzat usant el mètode de macrodispersió. El mètode de mitjana simple de norma-p va ser usat per a realitzar el canvi d'escala de R. Una bona propagació d'incerteses va ser aconseguida. Mètodes simples de canvi d'escala poden ser introduïts en la pràctica de la modelació usant programes comercials de transport i aconseguir reproduir el transport en escala gruixuda, però pot requerir correccions amb l'objectiu de reduir l'efecte de suavitzat de l'heterogeneïtat causat pel procés de canvi d'escala. / Almeida De Godoy, V. (2018). Upscaling of water flow and mass transport in a tropical soil: numerical, laboratory and field studies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/102405 / TESIS

[ES] Las energía solar fotovoltaica ha emergido como una fuente de energía nueva y sostenible, que es ecológica y rentable si la producción es a gran escala. En el escenario actual, los dispositivos fotovoltaicos económicos y de alta eficiencia de conversión sin que se degraden sus componentes están bien posicionados para la generación de electricidad. Las células solares basadas en silicio dominan este mercado desde hace muchos años. Para la fabricación y producción de células solares basadas en silicio, se requieren sofisticadas técnicas de fabricación que hacen que el panel solar sea costoso. Por otra parte estan las células solares de película delgada, las cuales, debido a la intensificación de las capacidades de fabricación están ganando importancia. La tecnología de película delgada es una de las tecnologías más rentables y eficientes para la fabricación de células solares, y es un tema de intensa investigación en la industria fotovoltaica. La tecnología de película delgada es más económica que otras tecnologías porque los dispositivos utilizan menos material y están basados en varios tipos de materiales semiconductores que absorben la luz. Entre estos materiales, las células solares de kesterita que utilizan CZTS, CZTSe y sus aleaciones CZTSSe pueden convertirse en el reemplazo óptimo a los absorbentes de calcopirita. Estos materiales presentan unas características ópticas y eléctricas sobresalientes y tienen un gap óptico directo con una banda prohibida que oscila entre 1,4\ eV\ y 1,5\ eV y un coeficiente de absorción, \alpha>{10}^4{cm}^{-1}. Estas características han propiciado que las kesteritas esten siendo muy investigadas por la comunidad fotovoltaica de películas delgadas. De acuerdo con el límite de Shockley-Queisser, la eficiencia de conversión para una célula solar basada en CZTS\ es alrededor del 28%. Esta eficiencia es teóricamente posible mediante el ajuste de la banda prohibida, pero aún así, todavia no se ha podido alcanzar experimentalmente, probablemente debido a la falta de comprensión de las características de los dispositivos.Para una mejor comprensión de las características de los dispositivos, la modelación numérica puede jugar un papel importante al perimitir estudiar diferentes estructuras de dispositivos que pueden ahorrar tiempo y costos a la comunidad científico-técnica. En este trabajo, se ha llevado a cabo una modelazación numérica para estimar y analizar el efecto de parámetros físicos como el espesor y la concentración de dopado de la capa absorbente, la capa tampón y las capas ventana, además de estudiar el efecto de la temperatura y el efecto de la potencia de iluminación del sol en el rendimiento del dispositivo. El análisis numérico de los dispositivos se realizó con el software de simulación denominado "Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS-1D). Para ello se analizó una estructura simple p-n-n^+ usando molibdeno como contacto posterior y FTO como ventana óptica y contacto frontal y siguiendo la secuencia de materiales Mo/CZTS/CdS/ZnO/FTO. A través del análisis, se estudió el rendimiento de las células solares con la variación en el espesor del absorbente para encontrar el espesor óptimo de la capa absorbente. También se estudió el efecto de la concentración del dopado y de la función de trabajo del metal. Después de la visualización de una estructura de dispositivo básica en SCAPS-1D, se modelo una célula solar experimental basada en CZTS. Los resultados de las células solares CZTS diseñados experimentalmente se simularon por primera vez en el entorno SCAPS-1D. Los resultados simulados de SCAPS-1D se compararon con los resultados experimentales. Después de la optimización de los parámetros de la celda, se incrementó la eficiencia de conversión de un dispositivo optimizado y, a partir del modelado, se descubrió que el rendimiento del dispositivo mejora al aumentar el tiempo de vida de los porta / [CAT] L'energia solar fotovoltaica ha emergit com una font d'energia nova i sostenible, que és ecològica i rendible si la producció és a gran escala. En l'escenari actual, els dispositius fotovoltaics econòmics i de gran eficiència de conversió estan ben posicionats per a la generació d'electricitat neta i sostenible. Les cèl·lules solars basades en silici dominen aquest mercat des de fa molts anys. Per a la fabricació i producció de cèl·lules solars basades en silici, es requereixen tècniques de fabricació sofisticades que fan que el panell solar sigui costós. Per altra banda estan les cel·les solars de capa fina, que estan guanyant importància a causa de l'intensificació de les capacitats de fabricació. La tecnologia de capa fina és una de les tecnologies més rentables i eficients per a la fabricació de cel solars, i és un tema d'intensa investigació en la fotovoltaica industrial. La tecnologia de capa fina és més econòmica que altres tecnologies perquè els dispositius utilitzen menys material i estan basats en diversos tipus de materials semiconductors que absorbeixen la llum. Entre aquests materials, les cèl·lules solars de kesterita que utilitzen CZTS, CZTSe i les seves aleacions CZTSSe poden convertir-se en el reemplaçament òptim als absorbents de calcopirita. Aquests materials presenten unes característiques òptiques i elèctriques sobresalientes i tenen un gap òptic directe amb una banda prohibida que oscil·la entre 1,4eV i 1,5eV i un coeficient d'absorció, \alpha>{10}^4{cm}^{-1}. Aquestes característiques han propiciat que les Les kesteritas estan sent molt investigades per la comunitat fotovoltaica de capes primes. D'acord amb el límit de Shockley-Queisser, l'eficiència de conversió per a una cel·la solar basada en CZTS és d'aproximadament 28%. Aquesta eficiència és teòricament possible a través de l'ajust de la banda prohibida, però tot i així, encara no s'ha pogut assolir experimentalment, probablement a causa de la incomprensió del funcionament dels dispositius. Per a una millor comprensió de les característiques i funcionament dels dispositius, la modelització numèrica pot jugar un paper important al permetre estudiar diferents estructures de sistemes que poden estalviar temps i costos a la comunitat científica-tècnica. En aquest treball, s'ha dut a terme una modelització numèrica per estimar i analitzar l'efecte de paràmetres físics com l'espessor i la concentració de dopatge de la capa absorbent, la capa tampó i la capa finestra, a més d'estudiar l'efecte de la temperatura i l'efecte de la potència d'il·luminació del sol en el rendiment del dispositiu. L'anàlisi numèrica dels dispositius es va realitzar amb el programari de simulació denominat "Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS-1D). Per això es va analitzar una estructura senzilla p-n-n^+ utilitzant molibdé com contacte posterior i FTO com a finestra òptica i contacte frontal i seguint la seqüència de materials Mo/CZTS/CdS/ZnO/FTO. A través de l'anàlisi, es va estudiar el rendiment de les cel·les solars amb la variació en l'espessor de l'absorbent per trobar l'espessor òptim de la capa absorbent. També es va estudiar l'efecte de la concentració del dopatge i de la funció de treball del metall. Després de la visualització d'una estructura de dispositiu bàsic en SCAPS-1D, es model una cel·la solar experimental basada en CZTS. Els resultats de les cel·les solars CZTS dissenyats experimentalment es simularen per primera vegada en l'entorn SCAPS-1D. Els resultats simulats de SCAPS-1D es van comparar amb els resultats experimentals. Després de l'optimització dels paràmetres de la celda, es va incrementar l'eficiència de conversió d'un dispositiu optimitzat i, a partir del modelatge, es va descobrir que el rendiment del dispositiu es millora a l'augmentar la vida útil dels minoritaris, cosa que es aconsegueix amb la incorporació d'un camp elèctric a la superfície del con / [EN] The solar cell has emerged as a newer and a relatively sustainable energy source, that is eco-friendly and cost-effective if the production is on a larger scale. In the current scenario, the economic and high-power conversion efficiency photovoltaic devices without degradation of materials are designed for the generation of electricity. The silicon-based solar cells dominated the market for many years. For the manufacturing and production of silicon-based solar cells, sophisticated fabrication techniques are required that make the solar panel costly. Due to intensification in manufacturing capabilities, thin film solar cells are gaining significance. Thin film technology is one of the most cost-effective and efficient technologies for the manufacturing of solar cells, and it is an excellent subject of intense research in the photovoltaic industry. Thin film technology is economical than other technologies because devices have relatively less material and are based on various types of light absorbing semiconductor materials. Among these materials, kesterite solar cells utilizing CZTS, CZTSe and their alloys CZTSSe are emerging as the most auspicious replacement for the chalcopyrite absorbers. The outstanding electrical and optical features having direct optical band gap ranges among 1.4eV to 1.5eV and large absorption coefficient \alpha\ >{10}^4{cm}^{-1} of CZTS have made it very interesting in the thin film community. According to the Shockley-Queisser limit, the optimum conversion efficiency of around 28\ % is theoretically possible from a CZTS based solar cell by tuning the band gap, but still, it is not experimentally possible to achieve 28% conversion efficiency from a solar cell due to lack of understanding of device characteristics. For a better understanding of device characteristics, numerical modeling can play a significant role by modeling different device structures that can save time and cost of the research community. In this work, numerical modeling was carried out for estimating and analyzing the effect of physical parameters such as thickness and doping concentration of absorber, buffer and window layers, temperature effect and effect of illumination power of the sun on device performance. Device modeling had performed on the dedicated simulation software "Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS-1D). To achieve this task first, a simple {p-n-n}^+ structure for Mo/CZTS/CdS/ZnO/FTO had been analyzed with molybdenum as back contact and FTO as a front contact. Through analysis, it had been found that solar cell performance was affected by variation in absorber thickness, doping concentration, and metal work function. After visualization of a basic device structure in SCAPS-1D, CZTS based experimental solar cell had been modeled. Experimentally designed CZTS solar cell results were first simulated in SCAPS-1D environment. The SCAPS-1D simulated results were then compared with experimental results. After optimization of cell parameters, the conversion efficiency of an optimized device was increased and from modeling, it had been found that device performance was improved by improving minority carrier lifetime and integration of back surface field at the back contact. Based on the results presented, it was found that recombination in a solar cell can greatly affect the performance of a solar cell. Therefore, a new structure (Back\ contact/CFTS/ZnS/Zn(O,S)/FTO) was modeled and analyzed in which interface recombination is reduced by optimizing the band gap of Zn(O,S) layer. Based on different device structure modeling, it was found that solar cell with structure CFTS/ZnS/Zn(O,S)/FTO can exhibit an efficiency of 26.11% with optimized physical parameters like absorber thickness layer of 4\mu m and acceptor concentration density of 2\times{10}^{18}\ {cm}^{-3}. The proposed results will give a valuable guideline for the feasible fabrication and designing of high-power conversion efficiency solar cells. / Khattak, YH. (2019). Modeling of High Power Conversion Efficiency Thin Film Solar Cells [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118802 / TESIS

Selective laser melting (SLM) is a new and rapidly developing manufacturing method for producing full-density, geometrically complex metal parts. The SLM process is time and cost effective for small-scale production; however, wide-spread adoption of this technique is severely limited by residual stresses that can cause large deformations and in-process build failures. The issues associated with residual stress accumulation are most apparent in parts with overhanging features. Due to the complexity of the SLM process, the accumulation of residual stresses is difficult to assess a priori. The deformations and in-process failures caused by residual stress accumulation often lead to an expensive and time consuming iterative manufacturing process. To aid in the development of general SLM design guidelines for overhanging features, the effect of varying two support structure design parameters on residual stress accumulation were investigated. A part-scale thermo-mechanical finite element model was implemented using Diablo, a multi-physics finite element code developed by Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), and trends observed in the model were validated experimentally. By comparing the distribution and magnitude of residual stresses, it was determined that reducing cooling rate gradients in overhanging features reduces the resulting residual stresses. Additionally, it was shown that volume effective material properties can be used to reduce computational costs in computational models of the SLM process.

Práce se zabývá studiem procesů probíhajících při zhášení silnoproudého oblouku ve zhášecí komoře jističe. Je zaměřena na výpočet dynamiky tekutin a teplotního pole v okolí elektrického oblouku. V práci je dále popsán vliv vzdálenosti plechů v komoře a vliv tvarů plechů z hlediska aerodynamických podmínek uvnitř komory. Dalším cílem dosaženým touto prací je poskytnutí informací o vlivu polohy elektrického oblouku na termodynamické vlastnosti uvnitř komory. Toto je důležité, zejména pokud je oblouk do komory vtahován jinými silami, např. elektromagnetickými a během tohoto vtahovacího procesu mění svůj tvar i polohu. Za účelem co nejjednoduššího, ale zároveň co nejefektivnějšího řešení úkolu, byl vyvinut software určen speciálně pro výpočet dynamiky tekutin numerickou metodou konečných objemů (FVM). Tato metoda je, v porovnání s rozšířenější metodou konečných prvků (FEM), vhodnější pro výpočet dynamiky tekutin (CFD) zejména proto, že režie na výpočet jedné iterace jsou menší v porovnání s ostatními numerickými metodami. Další výhodou tohoto softwarového řešení je jeho modularita a rozšiřitelnost. Cely koncept softwaru je postaven na tzv. zásuvných modulech. Díky tomuto řešení můžeme využít výpočtové jádro pro další numerické analýzy, např. strukturální, elektromagnetickou apod. Jediná potřeba pro úspěšné používání těchto analýz je napsáni solveru pro konečné prvky (FEM). Jelikož je software koncipován jako multi–thread aplikace, využívá výkon současných vícejádrových procesorů naplno. Tato vlastnost se ještě více projeví, pokud se výpočet přesune z CPU na GPU. Jelikož současné grafické karty vyšších tříd mají několik desítek až stovek výpočetních jader a pracují s mnohem rychlejšími pamětmi, než CPU, je výpočetní výkon několikanásobně vyšší.

The aim of this thesis is to compare the results of water infiltration from field tests, from laboratories and from numerical modeling at two selected locations. The first objective is the search procedure and the description of both sites and its adjacent areas. Further work continues with infiltration field tests using ring infiltrometer, at first theoretically for each method, and then practically with own personal measurements in the field. Further from the collected soil samples the measurements are performed in the laboratory, first in the permeameter, and followed by the grain size distribution test, from which the hydraulic conductivity is derived by using empirical formulas. At last the numerical modeling is used and all the results are compared. In the final phase of thesis the recommendations are given for infiltration at various locations and comparsion of the infiltration methods.