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.

Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Hysteresis phenomena in transverse galloping of triangular cross-section bodies

Transverse galloping is a type of aeroelastic instability characterised by large amplitude, low frequency oscillation of a structure in the direction normal to the mean wind direction. It normally appears in bodies with small stiffness and structural damping, provided the incident flow velocity is high enough. In the simplest approach transverse galloping can be considered as a one-degree-of-freedom oscillator subjected to aerodynamic forces, which in turn can be described by using a quasi-steady description. In this frame it has been demonstrated that hysteresis phenomena in transverse galloping is related to the existence of inflection points in the curve giving the dependence with the angle of attack of the aerodynamic coefficient normal to the incident flow. Aiming at experimentally checking such a relationship between these inflection points and hysteresis, wind tunnel experiments have been conducted. Experiments have been restricted to isosceles triangular cross-section bodies, whose galloping behaviour is well documented. Experimental results show that, according to theoretical predictions, hysteresis takes place at the angles of attack where there are inflection points in the lift coefficient curve, provided that the body is prone to gallop at these angles of attack.

Modeling of dangerous phenomena and innovative techniques for hazard evaluation and risk mitigation

Society is frequently exposed to and threatened by dangerous phenomena in many parts of the world. Different types of such phenomena require specific actions for proper risk management, from the stages of hazard identification to those of mitigation (including monitoring and early-warning) and/or reduction. The understanding of both predisposing factors and triggering mechanisms of a given danger and the prediction of its evolution from the source to the overall affected zone are relevant issues that must be addressed to properly evaluate a given hazard.

Bridge windshield design to avoid aeroelastic phenomena

Since in 1940 the Tacoma Narrows Bridge was destroyed by the wind, aeroelastic instabilities have been recognized as one of the most challenging aspects of bridge design. They can produce long-term fatigue failure through vortex induced vibrations, or sudden collapse through self-excited flutter. These vibrations may also cause discomfort for the users and temporary closure of the bridge. Wind tunnel studies are a very helpful tool to understand these phenomena. By means of them, the critical wind speed at which vortex induced vibration and flutter appear can be precisely determined and the design of the bridge can be reconsidered in the early steps of the process. In this paper, an optimum design of the bridge section is sought. One of the most relevant parameters that influence the stability of a certain deck is the porosity of the barriers. Section model tests have been carried out to find whether an optimum value of the porosity of the barrier exists. This value or range of values must present neither vortex induced vibration nor flutter.

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.

Trapping phenomena in AlGaN and InAlN barrier HEMTs with different geometries

PAPER Trapping phenomena in AlGaN and InAlN barrier HEMTs with different geometries S Martin-Horcajo1, A Wang1, A Bosca1, M F Romero1, M J Tadjer1,2, A D Koehler2, T J Anderson2 and F Calle1 Published 11 February 2015 • © 2015 IOP Publishing Ltd Semiconductor Science and Technology, Volume 30, Number 3 Article PDF Figures References Citations Metrics 350 Total downloads Cited by 1 articles Export citation and abstract BibTeX RIS Turn on MathJax Share this article Article information Abstract Trapping effects were evaluated by means of pulsed measurements under different quiescent biases for GaN/AlGaN/GaN and GaN/InAlN/GaN. It was found that devices with an AlGaN barrier underwent an increase in the on-resistance, and a drain current and transconductance reduction without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-drain access region. In contrast, devices with an InAlN barrier showed a transconductance and a decrease in drain associated with a significant positive shift of threshold voltage, indicating that the traps were likely located under the gate region; as well as an on-resistance degradation probably associated with the presence of surface traps in the gate-drain access region. Furthermore, measurements of drain current transients at different ambient temperatures revealed that the activation energy of electron traps was 0.43 eV and 0.38 eV for AlGaN and InAlN barrier devices, respectively. Experimental and simulation results demonstrated the influence of device geometry on the observed trapping effects, since devices with larger gate lengths and gate-to-drain distance values exhibited less noticeable charge trapping effects.