Experimental studies on transitional separated boundary layers

Separated transitional boundary layers appear on key aeronautical processes such as the flow around wings or turbomachinery blades. The aim of this thesis is the study of these flows in representative scenarios of technological applications, gaining knowledge about phenomenology and physical processes that occur there and, developing a simple model for scaling them. To achieve this goal, experimental measurements have been carried out in a low speed facility, ensuring the flow homogeneity and a low disturbances level such that unwanted transitional mechanisms are avoided. The studied boundary layers have been developed on a flat plate, by imposing a pressure gradient by means of contoured walls. They generate an initial acceleration region followed by a deceleration zone. The initial region is designed to obtain at the beginning of the deceleration the Blasius profile, characterized by its momentum thickness, and an edge boundary layer velocity, defining the problem characteristic velocity. The deceleration region is designed to obtain a linear evolution of the edge velocity, thereby defining the characteristic length of the problem. Several experimental techniques, both intrusive (hot wire anemometry, total pressure probes) as nonintrusive (PIV and LDV anemometry, high-speed filming), have been used in order to take advantage of each of them and allow cross-validation of the results. Once the boundary layer at the deceleration beginning has been characterized, ensuring the desired integral parameters and level of disturbance, the evolution of the laminar boundary layer up to the point of separation is studied. It has been compared with integral methods, and numerical simulations. In view of the results a new model for this evolution is proposed. Downstream from the separation, the flow near to the wall is configured as a shear layer that encloses low momentum recirculating fluid. The region where the shear layer remains laminar tends to be positioned to compensate the adverse pressure gradient associated with the imposed deceleration. Under these conditions, the momentum thickness remains almost constant. This laminar shear layer region extends up to where transitional phenomena appear, extension that scales with the momentum thickness at separation. These transitional phenomena are of inviscid type, similar to those found in free shear layers. The transitional region analysis begins with a study of the disturbances evolution in the linear growth region and the comparison of experimental results with a numerical model based on Linear Stability Theory for parallel flows and with data from other authors. The results’ coalescence for both the disturbances growth and the excited frequencies is stated. For the transition final stages the vorticity concentration into vortex blobs is found, analogously to what happens in free shear layers. Unlike these, the presence of the wall and the pressure gradient make the large scale structures to move towards the wall and quickly disappear under certain circumstances. In these cases, the recirculating flow is confined into a closed region saying the bubble is closed or the boundary layer reattaches. From the reattachment point, the fluid shows a configuration in the vicinity of the wall traditionally considered as turbulent. It has been observed that existing integral methods for turbulent boundary layers do not fit well to the experimental results, due to these methods being valid only for fully developed turbulent flow. Nevertheless, it has been found that downstream from the reattachment point the velocity profiles are self-similar, and a model has been proposed for the evolution of the integral parameters of the boundary layer in this region. Finally, the phenomenon known as bubble burst is analyzed. It has been checked the validity of existing models in literature and a new one is proposed. This phenomenon is blamed to the inability of the large scale structures formed after the transition to overcome with the adverse pressure gradient, move towards the wall and close the bubble. El estudio de capas límites transicionales con separación es de gran relevancia en distintas aplicaciones tecnológicas. Particularmente, en tecnología aeronáutica, aparecen en procesos claves, tales como el flujo alrededor de alas o álabes de turbomaquinaria. El objetivo de esta tesis es el estudio de estos flujos en situaciones representativas de las aplicaciones tecnológicas, ganando por un lado conocimiento sobre la fenomenología y los procesos físicos que aparecen y, por otra parte, desarrollando un modelo sencillo para el escalado de los mismos. Para conseguir este objetivo se han realizado ensayos en una instalación experimental de baja velocidad específicamente diseñada para asegurar un flujo homogéneo y con bajo nivel de perturbaciones, de modo que se evita el disparo de mecanismos transicionales no deseados. La capa límite bajo estudio se ha desarrollado sobre una placa plana, imponiendo un gradiente de presión a la misma por medio de paredes de geometría especificada. éstas generan una región inicial de aceleración seguida de una zona de deceleración. La región inicial se diseña para tener en al inicio de la deceleración un perfil de capa límite de Blasius, caracterizado por su espesor de cantidad de movimiento, y una cierta velocidad externa a la capa límite que se considera la velocidad característica del problema. La región de deceleración está concebida para que la variación de la velocidad externa a la capa límite sea lineal, definiendo de esta forma una longitud característica del problema. Los ensayos se han realizado explotando varias técnicas experimentales, tanto intrusivas (anemometría de hilo caliente, sondas de presión total) como no intrusivas (anemometrías láser y PIV, filmación de alta velocidad), de cara a aprovechar las ventajas de cada una de ellas y permitir validación cruzada de resultados entre las mismas. Caracterizada la capa límite al comienzo de la deceleración, y garantizados los parámetros integrales y niveles de perturbación deseados se procede al estudio de la zona de deceleración. Se presenta en la tesis un análisis de la evolución de la capa límite laminar desde el inicio de la misma hasta el punto de separación, comparando con métodos integrales, simulaciones numéricas, y proponiendo un nuevo modelo para esta evolución. Aguas abajo de la separación, el flujo en las proximidades de la pared se configura como una capa de cortadura que encierra una región de fluido recirculatorio de baja cantidad de movimiento. Se ha caracterizado la región en que dicha capa de cortadura permanece laminar, encontrando que se posiciona de modo que compensa el gradiente adverso de presión asociado a la deceleración de la corriente. En estas condiciones, el espesor de cantidad de movimiento permanece prácticamente constante y esta capa de cortadura laminar se extiende hasta que los fenómenos transicionales aparecen. Estos fenómenos son de tipo no viscoso, similares a los que aparecen en una capa de cortadura libre. El análisis de la región transicional comienza con un estudio de la evolución de las vii viii RESUMEN perturbaciones en la zona de crecimiento lineal de las mismas y la comparación de los resultados experimentales con un modelo numérico y con datos de otros autores. La coalescencia de los resultados tanto para el crecimiento de las perturbaciones como para las frecuencias excitadas queda demostrada. Para los estadios finales de la transición se observa la concentración de la vorticidad en torbellinos, de modo análogo a lo que ocurre en capas de cortadura libres. A diferencia de estas, la presencia de la pared y del gradiente de presión hace que, bajo ciertas condiciones, la gran escala se desplace hacia la pared y desaparezca rápidamente. En este caso el flujo recirculatorio queda confinado en una región cerrada y se habla de cierre de la burbuja o readherencia de la capa límite. A partir del punto de readherencia se tiene una configuración fluida en las proximidades de la pared que tradicionalmente se ha considerado turbulenta. Se ha observado que los métodos integrales existentes para capas límites turbulentas no ajustan bien a las medidas experimentales realizadas, hecho imputable a que no se obtiene en dicha región un flujo turbulento plenamente desarrollado. Se ha encontrado, sin embargo, que pasado el punto de readherencia los perfiles de velocidad próximos a la pared son autosemejantes entre sí y se ha propuesto un modelo para la evolución de los parámetros integrales de la capa límite en esta región. Finalmente, el fenómeno conocido como “estallido” de la burbuja se ha analizado. Se ha comprobado la validez de los modelos existentes en la literatura y se propone uno nuevo. Este fenómeno se achaca a la incapacidad de la gran estructura formada tras la transición para vencer el gradiente adverso de presión, desplazarse hacia la pared y cerrar la burbuja.

Employment rate impacts of charging the Heavy Good Vehicle corridor (Madrid-Sevilla) across Spanish regions: a Random Utility Based Multiregional Input-Output approach

The implementation of a charging policy for heavy goods vehicles in European Union (EU) member countries has been imposed to reflect costs of construction and maintenance of infrastructure as well as externalities such as congestion, accidents and environmental impact. In this context, EU countries approved the Eurovignette directive (1999/62/EC) and its amending directive (2006 /38/EC) which established a legal framework to regulate the system of tolls. Even if that regulation seek s to increase the efficien cy of freight, it will trigger direct and indirect effects on Spain’s regional economies by increasing transport costs. This paper presents the development of a multiregional Input-Output methodology (MRIO) with elastic trade coefficients to predict in terregional trade, using transport attributes integrated in multinomial logit models. This method is highly useful to carry out an ex-ante evaluation of transport policies because it involves road freight transport cost sensitivity, and determine regional distributive and substitution economic effect s of countries like Spain, characterized by socio-demographic and economic attributes, differentiated region by region. It will thus be possible to determine cost-effective strategies, given different policy scenarios. MRIO mode l would then be used to determine the impact on the employment rate of imposing a charge in the Madrid-Sevilla corridor in Spain. This methodology is important for measuring the impact on the employment rate since it is one of the main macroeconomic indicators of Spain’s regional and national economic situation. A previous research developed (DESTINO) using a MRIO method estimated employment impacts of road pricing policy across Spanish regions considering a fuel tax charge (€/liter) in the entire shortest cost path network for freight transport. Actually, it found that the variation in employment is expected to be substantial for some regions, and negligible for others. For example, in this Spanish case study of regional employment has showed reductions between 16.1% (Rioja) and 1.4% (Madrid region). This variation range seems to be related to either the intensity of freight transport in each region or dependency of regions to transport intensive economic sect ors. In fact, regions with freight transport intensive sectors will lose more jobs while regions with a predominantly service economy undergo a fairly insignificant loss of employment. This paper is focused on evaluating a freight transport vehicle-kilometer charge (€/km) in a non-tolled motorway corridor (A-4) between Madrid-Sevilla (517 Km.). The consequences of the road pricing policy implementation show s that the employment reductions are not as high as the diminution stated in the previous research because this corridor does not affect the whole freight transport system of Spain.

Vivienda y Revolución. El Concurso entre Camaradas de la OSA, la Sección de Tipificación del Stroykom y la Casa Experimental de Transición Narkomfin (1926-1930) = Housing and Revolution. OSA’s Comradely Competition, Typification Section of the Stroykom and Narkomfin Experimental Transitional House (1926-1930)

La cuestión del asentamiento socialista en la URSS durante la década de 1920 estuvo caracterizada por el objetivo de definir y establecer un estado socialista en términos políticos, sociales y económicos. En este contexto de inestabilidad y cambio, un grupo de arquitectos pertenecientes a la Asociación de Arquitectos Contemporáneos, OSA, y liderado por Moisey Ginzburg, abordó el tema de la vivienda obrera asumiendo la responsabilidad y el compromiso por alcanzar un nuevo orden social. Su misión no consistió únicamente en solucionar el problema del alojamiento para los trabajadores en las grandes ciudades soviéticas, sino en redefinirlo como el marco adecuado para una sociedad sometida a un cambio sin precedentes que, al mismo tiempo y en un proceso dialéctico, debía contribuir a la construcción de esa nueva sociedad. La respuesta dada por la OSA trascendió el diseño inmediato bajo los estándares modernos establecidos en Occidente y tomó forma en un proceso de investigación que habría de prolongarse durante cinco años. Este trabajo, que culminó con la construcción y puesta en crisis de la Casa Narkomfin, se desarrolló en tres aproximaciones sucesivas. La primera, de carácter conceptual, consideró la participación ciudadana, así como de especialistas independientes, formalizándose en el Concurso entre Camaradas convocado por la OSA en 1926. La segunda aproximación al problema de la vivienda obrera se articuló a través de la investigación llevada a cabo por la Sección de Tipificación del Stroykom, esta vez desde premisas científicas y metodológicas. Finalmente, las conclusiones alcanzadas fueron transferidas a la práctica arquitectónica por medio de la construcción de seis Casas Experimentales de Transición, entre las que destacó la Casa Narkomfin. Este último acercamiento, de carácter empírico, ha sido tradicionalmente examinado por los expertos como un hecho aislado. Sin embargo, su estudio debe trascender necesariamente el genio del autor-creador en favor del proceso de investigación al que pertenece. En esta tesis, la Casa Narkomfin no se presenta sólo como el paradigma de vivienda soviética de vanguardia al que estamos acostumbrados, sino como un prototipo que recoge los principios y conclusiones alcanzados en las aproximaciones conceptuales y científicas precedentes. Únicamente desde este punto de vista cobra sentido la consideración de Ginzburg sobre su propio edificio como un medio propositivo y no impositivo: un proyecto concebido como una herramienta de transición hacia una sociedad más avanzada. ABSTRACT The question of mass housing in the USSR during the Twenties was marked by the drive to define and establish a socialist state in political, social and economic terms. In this context of instability and change, a group of architects gathered together under the Association of Contemporary Architects, OSA, led by Moisey Ginzburg, to address the issue of mass housing, thus taking on the responsibility and being committed to creating a new social order. Their quest not only involved solving the problem of housing for workers in large Soviet cities, but also redefining this solution as an appropriate framework for a society undergoing dramatic changes which, at the same time and in a dialectical process, would contribute to the creation of this new society. The solution provided by OSA transcended Modern standards of immediate design set by the West and was the result of a research process that would last five years. This work culminated in the construction of Narkomfin House and its self-criticism, developed in three successive approaches. The first was conceptual, being formalized in the Comradely Competition held by the OSA in 1926 and taking into account the participation of citizens and independent experts. The second approach to the problem of mass housing involved research developed by the Typification Section of the Stroykom, this time under scientific and methodological premises. Finally, the conclusions reached were put in practice with the construction of six Experimental Transitional Houses of which the most notable is Narkomfin House. This third empirical approach has traditionally been examined by scholars in isolation. However, its study must necessarily transcend the genius of the author-creator and involve the research process of which it is part. In this thesis, Narkomfin House is presented not only as the paradigm in Soviet housing avant-garde we are used to, but also as a prototype reflecting the principles and conclusions reached in the preceding conceptual and scientific approaches. Only from this point of view does Ginzburg’s understanding of his own building as a proactive and non-imposed environment make sense: a project conceived as a transition tool towards a more advanced society.