Desenvolupament de codis numèrics per a la resolució de fluxos turbulents en ordinadors paral·lels emprant discretitzacions tipus symmetry-preserving

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of Groningen, Holanda, entre 2007 i 2009. La simulació directa de la turbulència (DNS) és una eina clau dins de la mecànica de fluids computacional. Per una banda permet conèixer millor la física de la turbulència i per l'altra els resultats obtinguts són claus per el desenvolupament dels models de turbulència. No obstant, el DNS no és una tècnica vàlida per a la gran majoria d'aplicacions industrials degut al elevats costos computacionals. Per tant, és necessari cert grau de modelització de la turbulència. En aquest context, s'han introduïts importants millores basades en la modelització del terme convectiu (no lineal) emprant symmetry-preserving regularizations. En tracta de modificar adequadament el terme convectiu a fi de reduir la producció d'escales més i més petites (vortex-stretching) tot mantenint tots els invariants de les equacions originals. Fins ara, aquest models s'han emprat amb èxit per nombres de Rayleigh (Ra) relativament elevats. En aquest punt, disposar de resultats DNS per a configuracions més complexes i nombres de Ra més elevats és clau. En aquest contexte, s'han dut a terme simulacions DNS en el supercomputador MareNostrum d'una Differentially Heated Cavity amb Ra=1e11 i Pr=0.71 durant el primer any dels dos que consta el projecte. A més a més, s'ha adaptat el codi a fi de poder simular el fluxe al voltant d'un cub sobre una pared amb Re=10000. Aquestes simulacions DNS són les més grans fetes fins ara per aquestes configuracions i la seva correcta modelització és un gran repte degut la complexitat dels fluxes. Aquestes noves simulacions DNS estan aportant nous coneixements a la física de la turbulència i aportant resultats indispensables per al progrés de les modelitzacións tipus symmetry-preserving regularization.

Detecció, anàlisi de partícules provocades pel desgast en olis lubricant usats com a eina de manteniment de motors de combustió interna

A la física o a l’enginyeria es defineix com fregament o fricció a la resistència que s'oposa a la rotació o al lliscament d'un cos sobre un altre, o també a la força que apareix en la superfície de contacte de dos cossos quan s'intenta lliscar un sobre un altre. El fregament ha estat fins avui dia un gran problema físic, això és degut a que genera imperfeccions, especialment microscòpiques, entre les superfícies en contacte. Aleshores és quan apareix la tribologia. La tribologia és la ciència que estudia la fricció, el desgast i la lubricació de superfícies en contacte. El lliscament entre superfícies sòlides es caracteritza generalment per un alt coeficient de fricció i un gran desgast a causa de les propietats específiques de lessuperfícies. La lubricació consisteix en la introducció d'una capa intermèdia d'un material aliè entre les superfícies en moviment. En aquest projecte hem intentat aplicar tècniques i mètodes de control els quals puguin arribar a millorar i perfeccionar els sistemes de mesura i control a nivell industrial i/o particular. En el nostre cas ha estat l’estudi dels olis lubricants usats en motors de combustió interna de variats vehicles com motocicletes, automòbils, camions o vaixells. Hem introduït una millora d’automatització mitjançant un circuit pneumàtic al captador de partícules, hi hem introduït una tècnica per captar partícules a partir de filtres de membrana, hem estudiat les mostres i llurs ferrogrames i membranes amb la finalitat de detectar les anomalies dels motors. L’objectiu del treball és l’estudi del desgast originat en motors de combustió interna, majoritàriament, Dièsel de camions, automòbils i vaixells. Això, comprèn la captació de partícules en ferrografies, la seva observació i anàlisi en microscopi, la seva classificació, comparació i la detecció d’anomalies en els motors. Per altra banda, també s’aprofundirà en les tècniques d’anàlisi, la lubricació i manteniment dels motors i el nou disseny i validació d’un captador de partícules automatitzat

Aplicació de la tècnica d’ espectroscòpia d’ absorció atòmica de flama com a eina per al manteniment de vehicles

L’objectiu d’aquest projecte fi de carrera és en primer lloc, determinar les modificacions a realitzar en el laboratori de lubricants i combustibles de l’EPS per a la utilització de l’espectrofotòmetre d’absorció atòmica de flama; en segon lloc, posar a punt l’aparell establint els paràmetres i les condicions d’assaig idònies per a portar a terme les anàlisis de metalls de desgast presents en olis lubricants usats de motors de combustió interna. I finalment, establir un protocol de treball al laboratori i estudiar la viabilitat d’oferir el servei d’anàlisi de lubricants a empreses i particulars

Simulació de processos de combustió de sòlids prims

L'objecte del projecte consisteix en investigar les capacitats del programari dedinàmica de fluids computacional FLUENT per simular processos transitoris de combustióquan es cremen sòlids. Com el programari FLUENT no incorpora cap mòdul de combustióde sòlids prims, s'hauran de realitzar les funcions d'usuari adients per tal d'incorporar lesequacions i les condicions de contorns que són rellevants en aquests tipus de problemes. Elmodel resultant es validarà amb dades experimentals per a la combustió de fulls decel•lulosa en flames bidimensionals. També es durà a terme una anàlisi de sensibilitat de lasolució variant els paràmetres del model. En funció dels resultats de la validació es durà aterme una extensió del model per a situacions tridimensionals

Prototip culata del vehicle de baix consum (equip EPS-UdG Shell Eco)

Aquest projecte s’ha portat a terme per tal de millorar en diferentsaspectes el motor Honda Gx35 , del vehicle de baix consum de la Universitat deGirona (Udg). Aquest és un motor de combustió interna de gasolina (cicle Otto).L’objectiu és el disseny d’una culata per poder minimitzar el consum de gasolina, la qual s’ha de poder acoblar amb el motor Honda Gx35. Aquest motor,prèviament s’haurà de modificar per poder-hi instal•lari la nova culata

Hyperbolic reaction-diffusion equations for a forest fire model

Forest fire models have been widely studied from the context of self-organized criticality and from the ecological properties of the forest and combustion. On the other hand, reaction-diffusion equations have interesting applications in biology and physics. We propose here a model for fire propagation in a forest by using hyperbolic reaction-diffusion equations. The dynamical and thermodynamical aspects of the model are analyzed in detail

The second law of thermodynamics and the global climate system : A review of the maximum entropy production principle

The long-term mean properties of the global climate system and those of turbulent fluid systems are reviewed from a thermodynamic viewpoint. Two general expressions are derived for a rate of entropy production due to thermal and viscous dissipation (turbulent dissipation) in a fluid system. It is shown with these expressions that maximum entropy production in the Earth s climate system suggested by Paltridge, as well as maximum transport properties of heat or momentum in a turbulent system suggested by Malkus and Busse, correspond to a state in which the rate of entropy production due to the turbulent dissipation is at a maximum. Entropy production due to absorption of solar radiation in the climate system is found to be irrelevant to the maximized properties associated with turbulence. The hypothesis of maximum entropy production also seems to be applicable to the planetary atmospheres of Mars and Titan and perhaps to mantle convection. Lorenz s conjecture on maximum generation of available potential energy is shown to be akin to this hypothesis with a few minor approximations. A possible mechanism by which turbulent fluid systems adjust themselves to the states of maximum entropy production is presented as a selffeedback mechanism for the generation of available potential energy. These results tend to support the hypothesis of maximum entropy production that underlies a wide variety of nonlinear fluid systems, including our planet as well as other planets and stars

Stochastic generation of homogeneous isotropic turbulence with well-defined-spectra

A precise and simple computational model to generate well-behaved two-dimensional turbulent flows is presented. The whole approach rests on the use of stochastic differential equations and is general enough to reproduce a variety of energy spectra and spatiotemporal correlation functions. Analytical expressions for both the continuous and the discrete versions, together with simulation algorithms, are derived. Results for two relevant spectra, covering distinct ranges of wave numbers, are given.

Inertial effects on reactive particles advected by turbulence

We study the problem of the advection of passive particles with inertia in a two-dimensional, synthetic, and stationary turbulent flow. The asymptotic analytical result and numerical simulations show the importance of inertial bias in collecting the particles preferentially in certain regions of the flow, depending on their density relative to that of the flow. We also study how these aggregates are affected when a simple chemical reaction mechanism is introduced through a Eulerian scheme. We find that inertia can be responsible for maintaining a stationary concentration pattern even under nonfavorable reactive conditions or destroying it under favorable ones.

Suppression of scroll wave turbulence by noise

Rotating scroll waves are dynamical spatiotemporal structures characteristic of three-dimensional active media. It is well known that, under low excitability conditions, scroll waves develop an intrinsically unstable dynamical regime that leads to a highly disorganized pattern of wave propagation. Such a ¿turbulent¿ state bears some resemblance to fibrillation states in cardiac tissue. We show here that this unstable regime can be controlled by using a spatially distributed random forcing superimposed on a control parameter of the system. Our results are obtained from numerical simulations but an explicit analytical argument that rationalizes our observations is also presented.

Reaction-diffusion fronts under stochastic advection

We study front propagation in stirred media using a simplified modelization of the turbulent flow. Computer simulations reveal the existence of the two limiting propagation modes observed in recent experiments with liquid phase isothermal reactions. These two modes respectively correspond to a wrinkled although sharp propagating interface and to a broadened one. Specific laws relative to the enhancement of the front velocity in each regime are confirmed by our simulations.

Diffusion of passive scalars under stochastic convection

The diffusion of passive scalars convected by turbulent flows is addressed here. A practical procedure to obtain stochastic velocity fields with well¿defined energy spectrum functions is also presented. Analytical results are derived, based on the use of stochastic differential equations, where the basic hypothesis involved refers to a rapidly decaying turbulence. These predictions are favorable compared with direct computer simulations of stochastic differential equations containing multiplicative space¿time correlated noise.

Stochastic generation of homogeneous isotropic turbulence with well-defined-spectra

A precise and simple computational model to generate well-behaved two-dimensional turbulent flows is presented. The whole approach rests on the use of stochastic differential equations and is general enough to reproduce a variety of energy spectra and spatiotemporal correlation functions. Analytical expressions for both the continuous and the discrete versions, together with simulation algorithms, are derived. Results for two relevant spectra, covering distinct ranges of wave numbers, are given.

Inertial effects on reactive particles advected by turbulence

We study the problem of the advection of passive particles with inertia in a two-dimensional, synthetic, and stationary turbulent flow. The asymptotic analytical result and numerical simulations show the importance of inertial bias in collecting the particles preferentially in certain regions of the flow, depending on their density relative to that of the flow. We also study how these aggregates are affected when a simple chemical reaction mechanism is introduced through a Eulerian scheme. We find that inertia can be responsible for maintaining a stationary concentration pattern even under nonfavorable reactive conditions or destroying it under favorable ones.

Suppression of scroll wave turbulence by noise

Rotating scroll waves are dynamical spatiotemporal structures characteristic of three-dimensional active media. It is well known that, under low excitability conditions, scroll waves develop an intrinsically unstable dynamical regime that leads to a highly disorganized pattern of wave propagation. Such a ¿turbulent¿ state bears some resemblance to fibrillation states in cardiac tissue. We show here that this unstable regime can be controlled by using a spatially distributed random forcing superimposed on a control parameter of the system. Our results are obtained from numerical simulations but an explicit analytical argument that rationalizes our observations is also presented.