Energy-consistent time integration for nonlinear viscoelasticity

This work is concerned with the numerical solution of the evolution equations of thermomechanical systems, in such a way that the scheme itself satisfies the laws of thermodynamics. Within this framework, we present a novel integration scheme for the dynamics of viscoelastic continuum bodies in isothermal conditions. This method intrinsically satisfies the laws of thermodynamics arising from the continuum, as well as the possible additional symmetries. The resulting solutions are physically accurate since they preserve the fundamental physical properties of the model. Furthermore, the method gives an excellent performance with respect to robustness and stability. Proof for these claims as well as numerical examples that illustrate the performance of the novel scheme are provided

Numerical simulation of a synthetic jet with OpenFoam

Numerical simulations of flow surrounding a synthetic jet actuating device are presented. By modifying a dynamic mesh technique available in OpenFoam-a well-documented open-source solver for fluid dynamics, detailed computations of the sinusoidal motion of the synthetic jet diaphragm were possible. Numerical solutions were obtained by solving the two dimensional incompressible viscous N-S equations, with the use of a second order implicit time marching scheme and a central finite volume method for spatial discretization in both streamwise and crossflow directions. A systematic parametric study is reported here, in which the external Reynolds number, the diaphragm amplitude and frequency, and the slot dimensions are varied.

Global Stability Analysis of a Compressible Turbulent Flow around a High-Lift Configuration

The purpose of this work is to analyze a complex high lift configuration for which significant regions of separated flow are present. Current state of the art methods have some diffculty to predict the origin and the progression of this separated flow when increasing the angle of attack. The mechanisms responsible for the maximum lift limit on multi-element wing con?gurations are not clear; this stability analysis could help to understand the physics behind the phenomenon and to find a relation between the flow separation and the instability onset. The methodology presented herein consists in the computation of a steady base flow solution based on a finite volume discretization and a proposal of the solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed and linearized problem. The eigenvalue problem has been solved with the Arnoldi iterative method, one of the Krylov subspace projection methods. The described methodology was applied to the NACA0012 test case in subsonic and in transonic conditions and, finally, for the first time to the authors knowledge, on an industrial multi-component geometry, such as the A310 airfoil, in order to identify low frequency instabilities related to the separation. One important conclusion is that for all the analyzed geometries, one unstable mode related to flow separation appears for an angle of attack greater than the one correspondent to the maximum lift coe?cient condition. Finally, an adjoint study was carried out in order to evaluate the receptivity and the structural sensitivity of the geometries, giving an indication of the domain region that could be modified resulting in the biggest change of the flowfield.

Aerodynamic database reconstruction via gappy high order singular value decomposition

Esta Tesis se centra en el desarrollo de un método para la reconstrucción de bases de datos experimentales incompletas de más de dos dimensiones. Como idea general, consiste en la aplicación iterativa de la descomposición en valores singulares de alto orden sobre la base de datos incompleta. Este nuevo método se inspira en el que ha servido de base para la reconstrucción de huecos en bases de datos bidimensionales inventado por Everson y Sirovich (1995) que a su vez, ha sido mejorado por Beckers y Rixen (2003) y simultáneamente por Venturi y Karniadakis (2004). Además, se ha previsto la adaptación de este nuevo método para tratar el posible ruido característico de bases de datos experimentales y a su vez, bases de datos estructuradas cuya información no forma un hiperrectángulo perfecto. Se usará una base de datos tridimensional de muestra como modelo, obtenida a través de una función transcendental, para calibrar e ilustrar el método. A continuación se detalla un exhaustivo estudio del funcionamiento del método y sus variantes para distintas bases de datos aerodinámicas. En concreto, se usarán tres bases de datos tridimensionales que contienen la distribución de presiones sobre un ala. Una se ha generado a través de un método semi-analítico con la intención de estudiar distintos tipos de discretizaciones espaciales. El resto resultan de dos modelos numéricos calculados en C F D . Por último, el método se aplica a una base de datos experimental de más de tres dimensiones que contiene la medida de fuerzas de una configuración ala de Prandtl obtenida de una campaña de ensayos en túnel de viento, donde se estudiaba un amplio espacio de parámetros geométricos de la configuración que como resultado ha generado una base de datos donde la información está dispersa. ABSTRACT A method based on an iterative application of high order singular value decomposition is derived for the reconstruction of missing data in multidimensional databases. The method is inspired by a seminal gappy reconstruction method for two-dimensional databases invented by Everson and Sirovich (1995) and improved by Beckers and Rixen (2003) and Venturi and Karniadakis (2004). In addition, the method is adapted to treat both noisy and structured-but-nonrectangular databases. The method is calibrated and illustrated using a three-dimensional toy model database that is obtained by discretizing a transcendental function. The performance of the method is tested on three aerodynamic databases for the flow past a wing, one obtained by a semi-analytical method, and two resulting from computational fluid dynamics. The method is finally applied to an experimental database consisting in a non-exhaustive parameter space measurement of forces for a box-wing configuration.

A technical note on application of internally finned tubes in solar parabolic trough absorber pipes

The heterogeneous incoming heat flux in solar parabolic trough absorber tubes generates huge temperature difference in each pipe section. Helical internal fins can reduce this effect, homogenising the temperature profile and reducing thermal stress with the drawback of increasing pressure drop. Another effect is the decreasing of the outer surface temperature and thermal losses, improving the thermal efficiency of the collector. The application of internal finned tubes for the design of parabolic trough collectors is analysed with computational fluid dynamics tools. Our numerical approach has been qualified with the computational estimation of reported experimental data regarding phenomena involved in finned tube applications and solar irradiation of parabolic trough collector. The application of finned tubes to the design of parabolic trough collectors must take into account issues as the pressure losses, thermal losses and thermo-mechanical stress, and thermal fatigue. Our analysis shows an improvement potential in parabolic trough solar plants efficiency by the application of internal finned tubes.

Analysis of internal helically finned tubes for parabolic trough design by CFD tools

This paper has analysed the effect of the utilization of internal finned tubes for the design of parabolic trough collectors with computational fluid dynamics tools. Our numerical approach has been qualified with the computational estimation of reported experimental data regarding phenomena involved in finned tube applications and solar irradiation of parabolic trough collector. The application of finned tubes to the design of parabolic trough collectors must take into account features as the pressure losses, thermal losses and thermo-mechanical stress and thermal fatigue. Our analysis shows an improvement potential in parabolic trough solar plants efficiency by the application of internal finned tubes.

Tranversal motion and flow structure of fully nonlinear streaks in a laminar boundary layer

Typical streak computations present in the literature correspond to linear streaks or to small amplitude nonlinear streaks computed using DNS or nonlinear PSE. We use the Reduced Navier-Stokes (RNS) equations to compute the streamwise evolution of fully non-linear streaks with high amplitude in a laminar flat plate boundary layer. The RNS formulation provides Reynolds number independent solutions that are asymptotically exact in the limit $Re \gg 1$, it requires much less computational effort than DNS, and it does not have the consistency and convergence problems of the PSE. We present various streak computations to show that the flow configuration changes substantially when the amplitude of the streaks grows and the nonlinear effects come into play. The transversal motion (in the wall normal-streamwise plane) becomes more important and strongly distorts the streamwise velocity profiles, that end up being quite different from those of the linear case. We analyze in detail the resulting flow patterns for the nonlinearly saturated streaks and compare them with available experimental results.

Simulación dinámica y térmica de una habitación de acuerdo con el Código Técnico de la Edificación

El Código Técnico de la edificación (CTE), es el marco normativo por el que se regulan las exigencias básicas de calidad que deben de cumplir los edificios. Dichas exigencias establecen los requisitos imprescindibles en el ámbito de seguridad estructural, seguridad de utilización ahorro de energía, aislamiento térmico, higiene, salud, protección del medio ambiente…. y se rigen, cada una de ellas, por su norma específica (Norma UNE). La norma ISO 7730:2006 es una norma internacional que aborda la evaluación del medio ambiente, en el interior de un edificio, tal y como se recoge en el CTE. Con este propósito la norma establece la predicción de índices de calidad del aire IAQ (Indoor Air cuality) así como de la predicción del campo de velocidades, de temperatura y, en general, de todas las magnitudes físicas, características, tanto del aire como de los elementos constructivos utilizados en la edificación. Basándonos en estos criterios el objetivo de este trabajo es presentar los primeros resultados obtenidos en la simulación de parámetros de confort en una habitación, de una vivienda construida con criterios bioclimáticos, mediante el programa de simulación STAR_CCM+ de Computational Fluid Dynamics (CFD). Utilizando STAR_CCM+ diseñamos la habitación en estudio y simulamos el campo de velocidades y de temperatura, en el interior de la misma, para distintas configuraciones de aberturas utilizando los criterios de velocidad y de temperatura del aire dado por la ISO 7730:2006. En esta línea se está investigando actualmente y el trabajo que se presenta muestra que el programa de simulación utilizado permite, por un lado, diseñar la disposición más adecuada de las aberturas en una habitación en particular, y de una vivienda en general, y, por otro lado, hacer un estudio cualitativo y cuantitativo de los parámetros de confort en diferentes situaciones meteorológicas, de acuerdo con el CTE, incluso antes de que la vivienda esté construida

Some physical and chemical proceddes in fluids

The ability to reproduce reduced gravity conditions for long periods is one of the reasons why the orbiting laboratory is so attractive. In this paper several fluid dynamics problem areas are reviewed in which zero-gravity conditions are of great importance. Although emphasis is placed on space processing, there are some older problems also in which gravity masks the phenomcna, impeding a reasonably simple approach to the solution. Three problems are considered: Thermal convection under reduced gravity. The dumping effect ofsurface gravity waves at the outset of convection induced by surface tractions is discussed in particular. The existence of convection is of concern for some satellite thermal control techniques presently used, and for most of the proposed manufacturing processes. Whereas convection should be normally avoided, problems related to the containerless stirring ofa melt constitute an exception. Secondly, gravity and chemical reactions. Although chemical reactions are independent of gravity because of the small mass of the molecules and atoms involved, in many cases the reaction rate dcpends on the arrival of the species to the reaction zone. When the arrival process is buoyancy-controlled, the net specd of the reaction will be affected by the gravity. Thirdly, two-phase flows under reduced gravity provkle interesting problems from boiling heat transfer to degasslng of melts. This part of the paper deals only with the measurement of sound veiocity in a liquid containing bubbles. It is suggested that such measurements should be mude under reduced gravity to provide reliable residís.

El microclima urbano en los espacios abiertos : estudio de casos en Madrid

El microclima urbano juega un rol importante en el consumo energético de los edificios y en las sensaciones de confort en los espacios exteriores. La urgente necesidad de aumentar la eficiencia energética, reducir las emisiones de los contaminantes y paliar la evidente falta de sostenibilidad que afecta a las ciudades, ha puesto la atención en el urbanismo bioclimático como referente para una propuesta de cambio en la forma de diseñar y vivir la ciudad. Hasta ahora las investigaciones en temas de microclima y eficiencia energética se han concentrado principalmente en como orientar el diseño de nuevos desarrollo. Sin embargo los principales problemas de la insostenibilidad de las actuales conurbaciones son el resultado del modelo de crecimiento especulativo y altamente agotador de recursos que han caracterizado el boom inmobiliario de las últimas décadas. Vemos entonces, tanto en España como en el resto de los Países Europeos, la necesidad de reorientar el sector de la construcción hacía la rehabilitación del espacio construido, como una alternativa capaz de dar una solución más sostenible para el mercado inmobiliario. En este propósito de mejorar la calidad de las ciudades actuales, el espacio público juega un papel fundamental, sobre todo como lugar para el encuentro y la socialización entre los ciudadanos. La sensación térmica condiciona la percepción de un ambiente, así que el microclima puede ser determinante para el éxito o el fracaso de un espacio urbano. Se plantea entonces cómo principal objetivo de la investigación, la definición de estrategias para el diseño bioclimático de los entornos urbanos construidos, fundamentados en las componentes morfotipológica, climática y de los requerimientos de confort para los ciudadanos. Como ulterior elemento de novedad se decide estudiar la rehabilitación de los barrios de construcción de mediado del siglo XX, que en muchos casos constituyen bolsas de degrado en la extendida periferia de las ciudades modernas. La metodología empleada para la investigación se basa en la evaluación de las condiciones climáticas y de confort térmico de diferentes escenarios de proyecto, aplicados a tres casos de estudio situados en un barrio periurbano de la ciudad de Madrid. Para la determinación de los parámetros climáticos se han empleado valores obtenidos con un proceso de simulación computarizada, basados en los principios de fluidodinámica, termodinámica y del intercambio radioactivo en el espacio construido. A través de uso de programas de simulación podemos hacer una previsión de las condiciones microclimáticas de las situaciones actuales y de los efectos de la aplicación de medidas. La gran ventaja en el uso de sistemas de cálculo es que se pueden evaluar diferentes escenarios de proyecto y elegir entre ellos el que asegura mejores prestaciones ambientales. Los resultados obtenidos en los diferentes escenarios han sido comparados con los valores de confort del estado actual, utilizando como indicador de la sensación térmica el índice UTCI. El análisis comparativo ha permitido la realización de una tabla de resumen donde se muestra la evaluación de las diferentes soluciones de rehabilitación. Se ha podido así demostrar que no existe una solución constructiva eficaz para todas las aplicaciones, sino que cada situación debe ser estudiada individualmente, aplicando caso por caso las medidas más oportunas. Si bien los sistemas de simulación computarizada pueden suponer un importante apoyo para la fase de diseño, es responsabilidad del proyectista emplear las herramientas más adecuadas en cada fase y elegir las soluciones más oportunas para cumplir con los objetivos del proyecto. The urban microclimate plays an important role on buildings energy consumption and comfort sensation in exterior spaces. Nowadays, cities need to increase energy efficiency, reduce the pollutants emissions and mitigate the evident lack of sustainability. In reason of this, attention has focused on the bioclimatic urbanism as a reference of change proposal of the way to design and live the city. Hitherto, the researches on microclimate and energy efficiency have mainly concentrated on guiding the design of new constructions. However the main problems of unsustainability of existing conurbations are the result of the growth model highly speculative and responsible of resources depletion that have characterized the real estate boom of recent decades. In Spain and other European countries, become define the need to redirect the construction sector towards urban refurbishment. This alternative is a more sustainable development model and is able to provide a solution for the real estate sector. In order to improve the quality of today's cities, the public space plays a key role, especially in order to provide to citizens places for meeting and socializing. The thermal sensation affects the environment perception, so microclimate conditions can be decisive for the success or failure of urban space. For this reasons, the main objective of this work is focused on the definition of bioclimatic strategies for existing urban spaces, based on the morpho-typological components, climate and comfort requirements for citizens. As novelty element, the regeneration of neighborhoods built in middle of the twentieth century has been studied, because are the major extended in periphery of modern cities and, in many cases, they represent deprived areas. The research methodology is based on the evaluation of climatic conditions and thermal comfort of different project scenarios, applied to three case studies located in a suburban neighborhood of Madrid. The climatic parameters have been obtained by computer simulation process, based on fluid dynamics, thermodynamics and radioactive exchange in urban environment using numerical approach. The great advantage in the use of computing systems is the capacity for evaluate different project scenarios. The results in the different scenarios were compared with the comfort value obtained in the current state, using the UTCI index as indicator of thermal sensation. Finally, an abacus of the thermal comfort improvement obtained by different countermeasures has been performed. One of the major achievement of doctoral work is the demonstration of there are not any design solution suitable for different cases. Each situation should be analyzed and specific design measures should be proposed. Computer simulation systems can be a significant support and help the designer in the decision making phase. However, the election of the most suitable tools and the appropriate solutions for each case is designer responsibility.

Análisis experimental y computacional de modelos termofluidomecánicos para el diseño de ingeniería con metales líquidos

Es importante disponer de una herramienta con la cual diseñar dispositivos de uso industrial y comercial que trabajen con metales líquidos (fuentes de neutrones de alta intensidad, núcleos de sistemas de transmutación nuclear, reactores de fisión de nueva generación, instalaciones de irradiación de materiales o reactores de fusión nuclear). Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de esas herramientas, y la manera de llevar a cabo su validación es la simulación de experimentos existentes. La turbulencia y la presencia de dos o más fases, son los dos principales problemas a los que tiene que hacer frente un código CFD. La mayoría de los modelos de turbulencia presentes en los códigos CFD se basan en considerar la proporcionalidad directa entre el transporte de cantidad de movimiento turbulento y el transporte turbulento de calor. Precisamente, el coeficiente de difusión del calor turbulento, se asume que sea proporcional a la viscosidad turbulenta a través de una constante empírica, llamada número de Prandtl turbulento. El valor de este número, en los códigos comerciales está entre 0,9 y 0,85 dependiendo del modelo de turbulencia, lo cual significa que en los códigos se asume que el transporte turbulento tanto de cantidad de movimiento como de calor, son prácticamente equivalentes. Esta asunción no es cierta en los flujos de metales líquidos, donde se demuestra que la transmisión de calor por turbulencia es pequeña frente a la transmisión de calor molecular. La solución pasa por aumentar el número de Prandtl turbulento, o abandonar la analogía de Reynolds, en el tratamiento de la turbulencia. Por otro lado, en los metales líquidos la capa límite térmica es más ancha que la de velocidad, y las funciones de pared incluidas en los códigos no satisfacen adecuadamente los flujos turbulentos de los fluidos con bajo número de Prantdl (los metales líquidos). Sí serían adecuados, si el mallado es tal, que la celda más cercana a la pared, está dentro de la subcapa laminar, en la cual la propiedad dominante es la conductividad molecular. En la simulación de flujo multifase los códigos se encuentran con una serie de dificultades, que en el caso de que las densidades de los fluidos que intervienen sean muy diferentes entre sí (como ocurre con los metales líquidos y los gases), serán aún mayores. La modelización de la interfase gas metal líquido, así como el encontrar una correlación válida para los coeficientes de resistencia y sustentación para el movimiento de las burbujas en el seno del metal líquido, son dos de los principales retos en la simulación de este tipo de flujos. Las dificultades no se limitan sólo a la simulación mediante CFD, las medidas experimentales de velocidad de las burbujas y del metal líquido también son complicadas. Hay parámetros que no se pueden definir bien: la trayectoria y la forma de las burbujas entre ellos. En el campo de aplicación industrial de los metales líquidos, los altos valores de los coeficientes de expansión volumétrica y de conductividad térmica hacen que estos fluidos sean muy atractivos en la refrigeración por convección libre en dispositivos de alta densidad de potencia. Tomando como base uno de los diseños de ADS (Accelerator Driven System), y teniendo en cuenta la dificultad que conlleva el uso de múltiples modelos físicos, los cálculos realizados muestran cómo, en caso de fallo eléctrico, la operación de la instalación puede continuar de forma segura. Para la validación de los códigos CFD en su uso como herramienta de diseño, uno de los fenómenos donde cuantitativamente más dificultades encuentran los códigos es en los que aparecen en la modelización de las superficies libres. Un buen ajuste de los modelos multifase y de turbulencia es imprescindible en este tipo de simulaciones. Efectivamente, en la instalación de irradiación de materiales IFMIF, la formación de ondas en la superficie libre del flujo de Litio, es un fenómeno que hay que tratar de evitar, y además se requiere predecir las temperaturas, para ver si hay peligro de ebullición del metal líquido. La simulación llevada a cabo se enfoca al análisis termohidráulico. Variando la velocidad de inyección de Litio desde 10 hasta 20 m/s, se comprueba que las temperaturas máximas quedan alejadas del punto de ebullición del Litio, debido al aumento de presión producido por la fuerza centrífuga. Una de las cuestiones más críticas que se presentan en las fuentes de neutrones sería la refrigeración de la ventana metálica sobre la que incide el haz de protones. La simulación de experimentos como MEGAPIE y TS-1, permite la “visualización” de recirculación en el flujo, de los puntos de estancamiento, de los puntos calientes, etc, y da una fotografía de las zonas críticas del diseño.

Components of a Wind Tunnel Balance: Design and Calibration

Components of a Wind Tunnel Balance: Design and Calibration

Conceptual design of the liquid metal laboratory of the TECHNOFUSION facility

The application of liquid metal technology in fusion devices requires R&D related to many phenomena: interaction between liquid metals and structural material as corrosion, erosion and passivation techniques; magneto-hydrodynamics; free surface fluid-dynamics and any other physical aspect that will be needed for their safe reliable operation. In particular, there is a significant shortage of experimental facilities dedicated to the development of the lithium technology. In the framework of the TECHNOFUSION project, an experimental laboratory devoted to the lithium technology development is proposed, in order to shed some light in the path to IFMIF and the design of chamber's first wall and divertors. The conceptual design foresee a development in two stages, the first one consisting on a material testing loop. The second stage proposes the construction of a mock-up of the IFMIF target that will allow to assess the behaviour of a free-surface lithium target under vacuum conditions. In this paper, such conceptual design is addressed.

Novel system for bite-force sensing and monitoring based on magnetic eear field communication

Intraoral devices for bite-force sensing have several applications in odontology and maxillofacial surgery, as bite-force measurements provide additional information to help understand the characteristics of bruxism disorders and can also be of help for the evaluation of post-surgical evolution and for comparison of alternative treatments. A new system for measuring human bite forces is proposed in this work. This system has future applications for the monitoring of bruxism events and as a complement for its conventional diagnosis. Bruxism is a pathology consisting of grinding or tight clenching of the upper and lower teeth, which leads to several problems such as lesions to the teeth, headaches, orofacial pain and important disorders of the temporomandibular joint. The prototype uses a magnetic field communication scheme similar to low-frequency radio frequency identification (RFID) technology (NFC). The reader generates a low-frequency magnetic field that is used as the information carrier and powers the sensor. The system is notable because it uses an intra-mouth passive sensor and an external interrogator, which remotely records and processes information regarding a patient?s dental activity. This permits a quantitative assessment of bite-force, without requiring intra-mouth batteries, and can provide supplementary information to polysomnographic recordings, current most adequate early diagnostic method, so as to initiate corrective actions before irreversible dental wear appears. In addition to describing the system?s operational principles and the manufacture of personalized prototypes, this report will also demonstrate the feasibility of the system and results from the first in vitro and in vivo trials.

Nonlinear description of transversal motion in a laminar boundary layer with streaks

The nonlinear streamwise growth of a spanwise periodic array of steady streaks in a flat plate boundary layer is numerically computed using the well known Reduced Navier- Stokes formulation. It is found that the flow configuration changes substantially when the amplitude of the streaks grows and the nonlinear effects come into play. The transversal motion (in the wall normal-spanwise plane), which is normally not considered, becomes non-negligible in the nonlinear regime, and it strongly distorts the streamwise velocity profiles, which end up being quite different from those predicted by the linear theory. We analyze in detail the resulting flow patterns for the nonlinearly saturated streaks, and compare them with available experimental results.