Análisis de la viabilidad técnica de las aerobombas para el riego localizado

Actualmente la agricultura cubana, por ser un sector estratégico en la economía del país, incorpora en su desarrollo y gestión las energías renovables como criterio básico para su viabilidad futura. Sin embargo existen un número de problemas que limitan el desarrollo de estas fuentes energéticas en Cuba, entre los que se encuentran el conocimiento incompleto de su potencial de utilización. Por esta razón, la presente investigación tiene como objetivo la maximización de la superficie regada de un cultivo dado y la determinación del volumen de regulación mínimo, usando una aerobomba tipo, en condiciones ambientales dadas. Se desarrolla una metodología para predecir la máxima potencialidad de las aerobombas para un sistema de riego localizado, basada en el cálculo del balance diario entre las necesidades de agua del cultivo y la disponibilidad de agua. Mediante un ejemplo que ilustra el uso de esta metodología en el cultivo de tomate (Solanum lycopersicum L. var. FL - 5) bajo invernadero en Ciego de Ávila, Cuba, se hace una descripción de los elementos de la instalación propuesta para el suministro de agua por parte de la aerobomba. Se estudiaron varios factores, tales como la serie de velocidad del viento trihoraria ( h V3 , m s-1) para un año medio de viento y para un año medio de poco viento; el caudal suministrado por la aerobomba en función de la altura de elevación ( H , m); y la evapotranspiración diaria del cultivo en invernadero en función de la fecha de siembra. A partir de los factores mencionados se determinaron los volúmenes de agua mensuales necesarios para el riego ( r D , m3 ha-1), la capacidad del depósito de almacenamiento ( dep. V , m3), así como las áreas máximas regables ( r A , ha) para cada variante. Los resultados muestran que el período óptimo de bombeo eólico para el riego del cultivo de tomate en invernadero bajo las condiciones ambientales estudiadas es de noviembre a febrero, y que los factores que más influyen en la superficie que se puede regar con el bombeo eólico son la fecha de plantación y el volumen de depósito. Abstract Currently Cuban agriculture, as a strategic sector in the economy of the country, incorporates in its development and renewable energy management as a basic criterion for its future viability. However, there are a number of problems that limit the development of these energy sources in Cuba, among which are the incomplete knowledge of their potential use. For this reason, this research aims at maximizing the irrigated area of a given culture and determination of minimum control volume, using a type Windpump in given environmental conditions. We develop a methodology to predict the maximum potential of windmills for irrigation system, based on the daily balance calculation between the crop water needs and water availability. Through an example that illustrates the use of this methodology in the cultivation of tomato (Solanum lycopersicum L. var. FL - 5) under greenhouse in Ciego de Avila, Cuba, is a description of the elements of the proposed facility to supply water from the windmill. We studied several factors such as the number of trihoraria wind speed ( h V3 , m s- 1) for an average wind year and an average year with little wind, the flow supplied by the windmill depending on the lift height ( H , m) and daily crop evapotranspiration in greenhouse based on planting date. From the above factors were determined monthly water volumes needed for irrigation ( r D , m3 ha-1), the storage tank capacity ( dep. V , m3) and peak areas irrigated ( r A , ha) for each variant. The results show that the optimal period wind pumping for irrigation of greenhouse tomato crop under the environmental conditions studied is from November to February, and that the factors that influence the surface that can be irrigated with wind pumping are planting date and amount of deposit.

Efficient adaptive methods based on adjoint equations and truncation error estimation for unstructured grids

El propósito de esta tesis es la implementación de métodos eficientes de adaptación de mallas basados en ecuaciones adjuntas en el marco de discretizaciones de volúmenes finitos para mallas no estructuradas. La metodología basada en ecuaciones adjuntas optimiza la malla refinándola adecuadamente con el objetivo de mejorar la precisión de cálculo de un funcional de salida dado. El funcional suele ser una magnitud escalar de interés ingenieril obtenida por post-proceso de la solución, como por ejemplo, la resistencia o la sustentación aerodinámica. Usualmente, el método de adaptación adjunta está basado en una estimación a posteriori del error del funcional de salida mediante un promediado del residuo numérico con las variables adjuntas, “Dual Weighted Residual method” (DWR). Estas variables se obtienen de la solución del problema adjunto para el funcional seleccionado. El procedimiento habitual para introducir este método en códigos basados en discretizaciones de volúmenes finitos involucra la utilización de una malla auxiliar embebida obtenida por refinamiento uniforme de la malla inicial. El uso de esta malla implica un aumento significativo de los recursos computacionales (por ejemplo, en casos 3D el aumento de memoria requerida respecto a la que necesita el problema fluido inicial puede llegar a ser de un orden de magnitud). En esta tesis se propone un método alternativo basado en reformular la estimación del error del funcional en una malla auxiliar más basta y utilizar una técnica de estimación del error de truncación, denominada _ -estimation, para estimar los residuos que intervienen en el método DWR. Utilizando esta estimación del error se diseña un algoritmo de adaptación de mallas que conserva los ingredientes básicos de la adaptación adjunta estándar pero con un coste computacional asociado sensiblemente menor. La metodología de adaptación adjunta estándar y la propuesta en la tesis han sido introducidas en un código de volúmenes finitos utilizado habitualmente en la industria aeronáutica Europea. Se ha investigado la influencia de distintos parámetros numéricos que intervienen en el algoritmo. Finalmente, el método propuesto se compara con otras metodologías de adaptación de mallas y su eficiencia computacional se demuestra en una serie de casos representativos de interés aeronáutico. ABSTRACT The purpose of this thesis is the implementation of efficient grid adaptation methods based on the adjoint equations within the framework of finite volume methods (FVM) for unstructured grid solvers. The adjoint-based methodology aims at adapting grids to improve the accuracy of a functional output of interest, as for example, the aerodynamic drag or lift. The adjoint methodology is based on the a posteriori functional error estimation using the adjoint/dual-weighted residual method (DWR). In this method the error in a functional output can be directly related to local residual errors of the primal solution through the adjoint variables. These variables are obtained by solving the corresponding adjoint problem for the chosen functional. The common approach to introduce the DWR method within the FVM framework involves the use of an auxiliary embedded grid. The storage of this mesh demands high computational resources, i.e. over one order of magnitude increase in memory relative to the initial problem for 3D cases. In this thesis, an alternative methodology for adapting the grid is proposed. Specifically, the DWR approach for error estimation is re-formulated on a coarser mesh level using the _ -estimation method to approximate the truncation error. Then, an output-based adaptive algorithm is designed in such way that the basic ingredients of the standard adjoint method are retained but the computational cost is significantly reduced. The standard and the new proposed adjoint-based adaptive methodologies have been incorporated into a flow solver commonly used in the EU aeronautical industry. The influence of different numerical settings has been investigated. The proposed method has been compared against different grid adaptation approaches and the computational efficiency of the new method has been demonstrated on some representative aeronautical test cases.

A 2D computational parametric analysis of the sheltering effect of fences on a railway vehicle standing on a bridge and experiencing crosswinds

In a crosswind scenario, the risk of high-speed trains overturning increases when they run on viaducts since the aerodynamic loads are higher than on the ground. In order to increase safety, vehicles are sheltered by fences that are installed on the viaduct to reduce the loads experienced by the train. Windbreaks can be designed to have different heights, and with or without eaves on the top. In this paper, a parametric study with a total of 12 fence designs was carried out using a two-dimensional model of a train standing on a viaduct. To asses the relative effectiveness of sheltering devices, tests were done in a wind tunnel with a scaled model at a Reynolds number of 1 × 105, and the train’s aerodynamic coefficients were measured. Experimental results were compared with those predicted by Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulations of flow, showing that a computational model is able to satisfactorily predict the trend of the aerodynamic coefficients. In a second set of tests, the Reynolds number was increased to 12 × 106 (at a free flow air velocity of 30 m/s) in order to simulate strong wind conditions. The aerodynamic coefficients showed a similar trend for both Reynolds numbers; however, their numerical value changed enough to indicate that simulations at the lower Reynolds number do not provide all required information. Furthermore, the variation of coefficients in the simulations allowed an explanation of how fences modified the flow around the vehicle to be proposed. This made it clear why increasing fence height reduced all the coefficients but adding an eave had an effect mainly on the lift force coefficient. Finally, by analysing the time signals it was possible to clarify the influence of the Reynolds number on the peak-to-peak amplitude, the time period and the Strouhal number.

Análisis de la influencia del borde de salida abierto en perfiles aerodinámicos a bajos números de Reynolds

El objetivo del presente trabajo es analizar la influencia que tiene sobre el comportamiento aerodinámico del perfil el hecho de que este presente un borde de salida más grueso que el perfil original del que se partía. Este estudio se ha centrado fundamentalmente en la influencia sobre su sustentación aerodinámica, resistencia aerodinámica y, especialmente, sobre la eficiencia aerodinámica del perfil, es decir sobre la relación entre la sustentación y la resistencia aerodinámica. También se ha analizado su influencia en otros aspectos aerodinámicos de los perfiles, como la entrada en pérdida, el ángulo de ataque de sustentación máxima, el ángulo de ataque de eficiencia máxima, el coeficiente de momento aerodinámico y la posición del centro aerodinámico. Estas imperfecciones en el borde de salida pueden aparecer en algunos procesos de fabricación de determinados elementos aerodinámicos, como alas de aviones no tripulados o palas de aeroturbina. Este fenómeno no ha sido analizado en profundidad en la literatura científica, aunque si que se ha analizado por varios autores la influencia sobre el perfil con el borde de salida truncado, o perfiles con la parte final regruesada, utilizados en otras aplicaciones. Para la realización de este estudio se han analizado perfiles de distinto tipo, laminares y no laminares, perfiles simétricos y con curvatura, así como perfiles con distinto espesor, a fin de comparar el grado de influencia del fenómeno estudiado sobre cada tipo de perfil para comparar su grado de sensibilidad a dicha anomalía geométrica. El estudio se ha realizado experimentalmente utilizando una cámara de ensayos diseñada específicamente a tal efecto, así como una balanza electrónica para medir las fuerzas y los momentos sobre el perfil, y un escáner de presiones para medir la distribución de presiones en determinados casos. También se ha abordado el estudio del comportamiento de perfiles con borde de salida más grueso que el nominal pero redondeado en vez de romo, con el objeto de analizar la eficacia de redondear el borde de salida, que es uno de los métodos que se puede utilizar para mitigar este efecto. Por otro lado, como el comportamiento de los perfiles aerodinámicos tiene una fuerte dependencia del número de Reynolds, el estudio se ha centrado en el análisis del comportamiento a bajos números de Reynolds debido a su uso reciente en una amplia gama de aplicaciones, desde vehículos aéreos no tripulados (UAV) hasta palas de aeroturbinas de baja potencia, e incluso debido a su uso potencial en aeronaves diseñadas para volar en atmósferas de baja densidad como la que existe en Marte. El interés de este estudio está orientado al establecimiento de criterios para cuantificar la influencia que tiene el hecho de que el borde de salida sea más grueso que el nominal en la degradación de su eficiencia aerodinámica máxima, con el objeto de poder establecer los límites de aceptación o rechazo de estas piezas una vez fabricadas, según el tipo de perfil aerodinámico utilizado. Del resultado del análisis de los casos estudiados se puede concluir que según aumenta el espesor del borde de salida, dentro del intervalo de estudio, la sustentación aerodinámica aumenta, así como la sustentación máxima, pero aumenta en mayor proporción la resistencia aerodinámica, por lo que se produce una reducción de la eficiencia aerodinámica, en particular de su valor máximo. Por otro lado, el hecho de redondear el borde de salida del perfil ayuda ligeramente a reducir este efecto. ABSTRACT The aim of this thesis is to analyze the effects of airfoil trailing edges thickness when this is thicker than the airfoil nominal. Several factors may lead to an airfoil trailing edge being thicker than the nominal airfoil, and this may affect various aerodynamic parameters. This study has focus on its influence on the airfoil’s aerodynamic lift, drag and, particularly on the aerodynamic efficiency of the airfoil, that is, the relationship between the aerodynamic lift and drag. It has also been studied how this fact may alter some other aerodynamic aspects of airfoils, such as stall, angle of attack of maximum lift, angle of maximum efficiency, aerodynamic moment coefficient and aerodynamic center position. These imperfections in the trailing edge may appear in some manufacturing processes of certain aerodynamic elements, such as unmanned aircraft wings or wind turbine blades. This phenomenon has not been deeply analyzed in the literature, although several authors have discussed its influence on airfoil with truncated trailing edge, or airfoils with thickened end, used in other applications. Various types of airfoils have been analyzed, laminar and non-laminar, symmetric and curved airfoils, and airfoils with different thickness, in order to compare the degree of influence of the phenomenon studied on each airfoil type and thus, to estimate the degree of sensitivity to the anomaly geometry. The study was carried out experimentally using a test chamber designed specifically for this purpose, as well as an electronic balance to measure the forces and moments on the airfoil, and a pressure scanner to measure distribution of pressures in certain cases. It has also been investigated the behavior of airfoils with trailing edge thicker than the nominal, but rounded instead of blunt, in order to analyze the effectiveness of the trailing edge rounding, which is one of the methods that can be used to mitigate this phenomenon. Moreover, as the behavior of the airfoil is highly dependent on the Reynolds number, the study has been focused on the analysis of the behavior at low Reynolds numbers due to recent use of low Reynolds numbers airfoils in a wide range of applications, from unmanned aerial vehicles (UAV) to low power wind turbine blades, or even due to their potential use in aircraft designed to fly in low density atmospheres as the one existing in Mars. The main purpose of this research is to establish a set of criteria for quantifying the influence that a thicker-than–nominal-trailing edge has in the degradation of maximum aerodynamic efficiency, aiming at establishing the acceptance limits for these pieces when they are manufactured, according to the type of airfoil used. Based on the results obtained from the analysis of the cases under study it can be concluded that increasing the thickness of the trailing edge, within the range of study, increases aerodynamic lift, as well as maximum lift, but the aerodynamic drag increases in a higher proportion, and consequently there is a reduction of aerodynamic efficiency, particularly, of its maximum value. On the other hand, rounding the trailing edge of the airfoil slightly helps to reduce this effect.

Análisis de la influencia de imperfecciones en el borde de ataque en perfiles aerodinámicos a bajos números de Reynolds

En esta tesis se ha analizado la influencia que tienen ciertas imperfecciones en el borde de ataque de un perfil aerodinámico sobre el comportamiento aerodinámico general del mismo, centrándose fundamentalmente en la influencia sobre el coeficiente de sustentación máxima, coeficiente de resistencia y sobre la eficiencia aerodinámica del perfil, es decir sobre la relación entre la sustentación y la resistencia aerodinámicas. También se ha analizado su influencia en otros aspectos, como la entrada en pérdida, ángulo de ataque de sustentación máxima, ángulo de ataque de eficiencia máxima, coeficiente de momento aerodinámico y posición del centro aerodinámico. Estos defectos de forma en el borde de ataque pueden aparecer en algunos procesos de fabricación de determinados elementos aerodinámicos, como pueden ser las alas de pequeños aviones no tripulados o las palas de aeroturbina. Los perfiles se ha estudiado a bajos números de Reynolds debido a su uso reciente en una amplia gama de aplicaciones, desde vehículos aéreos no tripulados (UAV) hasta palas de aeroturbina de baja potencia, e incluso debido a su potencial utilización en aeronaves diseñadas para volar en atmósferas de baja densidad. El objeto de estudio de esta tesis no ha sido analizado en profundidad en la literatura científica, aunque sí que se ha estudiado por varios autores el comportamiento de perfiles a bajos números de Reynolds, con ciertas protuberancias sobre su superficie o también con formación de hielo en el borde de ataque. Para la realización de este estudio se han analizado perfiles de distinto tipo, perfiles simétricos y con curvatura, perfiles laminares, y todos ellos con igual o distinto espesor, con el objeto de obtener y comparar la influencia del fenómeno estudiado sobre cada tipo de perfil y así analizar su grado de sensibilidad a estas imperfecciones en la geometría del borde de ataque. Este trabajo ha sido realizado experimentalmente utilizando una túnel aerodinámico diseñado específicamente a tal efecto, así como una balanza electrónica para medir las fuerzas y los momentos sobre el perfil, y un escáner de presiones para medir la distribución de presiones sobre la superficie de los perfiles en determinados casos de interés. La finalidad de este estudio está orientada al establecimiento de criterios para cuantificar la influencia en la aerodinámica del perfil que tiene el hecho de que el borde de ataque presente una discontinuidad geométrica, con el objeto de poder establecer los límites de aceptación o rechazo de estas piezas en el momento de ser fabricadas. Del análisis de los casos estudiados se puede concluir que según aumenta el tamaño de la imperfección del borde de ataque, la sustentación aerodinámica máxima en general disminuye, al igual que la eficiencia aerodinámica máxima, pues la resistencia aerodinámica aumenta. Sin embargo, en algunos casos, para pequeños defectos se produce un efecto contrario. La sustentación máxima aumenta apreciablemente sin apenas pérdida de eficiencia aerodinámica máxima. ABSTRACT The aim of this thesis is to analyze the effects of leading edge imperfections on the aerodynamic characteristics of airfoils at low Reynolds numbers. The leading edge imperfection here considered being a slight displacement of half airfoil with respect to the other. This study has focus on its influence on the airfoil’s aerodynamic lift, drag and on the aerodynamic efficiency of the airfoil, that is, the relationship between the aerodynamic lift and drag. It has also been studied how this fact may alter some other aerodynamic aspects of airfoils, such as stall, angle of attack of maximum lift, angle of maximum efficiency, aerodynamic moment coefficient and aerodynamic center position. These imperfections in the leading edge may appear in some manufacturing processes of certain aerodynamic elements, such as unmanned aircraft wings or wind turbine blades. The study has focused on the analysis of the behavior at low Reynolds numbers due to recent use of low Reynolds numbers airfoils in a wide range of applications, from unmanned aerial vehicles (UAV) to low power wind turbine blades, or even due to their potential use in aircraft designed to fly in low density atmospheres as the one existing in Mars. This phenomenon has not been deeply analyzed in the literature, although several authors have discussed on airfoils at low Reynolds number, with leading edge protuberances or airfoils with ice accretions. Various types of airfoils have been analyzed, laminar and non-laminar, symmetric and curved airfoils, and airfoils with different thickness, in order to compare the degree of influence of the phenomenon studied on each airfoil type and thus, to estimate the degree of sensitivity to the anomaly geometry. The study was carried out experimentally using a test chamber designed specifically for this purpose, as well as an electronic balance to measure the forces and moments on the airfoil, and a pressure scanner to measure distribution of pressures in certain cases. The main purpose of this research is to establish a criteria for quantifying the influence that a slight displacement of half aerofoil with respect to the other has in the degradation of aerodynamics characteristics, aiming at establishing the acceptance limits for these pieces when they are manufactured, according to the type of airfoil used. Based on the results obtained from the analysis of the cases under study it can be concluded that displacements, within the range of study, decreases maximum aerodynamic lift, but the aerodynamic drag increases, and consequently there is a reduction of aerodynamic efficiency. However, in some cases, for small defects opposite effect occurs. The maximum lift increases significantly with little loss of maximum aerodynamic efficiency.

Fenómenos de galope en piezas prismáticas con sección en H

El objetivo de esta Tesis es el estudio sistemático del fenómeno aeroelástico de galope de una viga prismática con sección transversal en H. En particular, se pretende analizar la influencia de determinados parámetros geométricos que definen la geometría de la sección y el efecto del ángulo de ataque de la corriente sobre la estabilidad del fenómeno de oscilación. El interés en el estudio de esta forma de la sección transversal de una viga se basa en el hecho de que, con cierta frecuencia, se sigue utilizando, por su buen comportamiento estructural, en construcciones civiles como tableros y tirantes de puentes de gran longitud, señalizaciones, luminarias y, en general, en grandes estructuras metálicas. Los parámetros geométricos seleccionados para su estudio son tres: el espesor de las dos alas verticales, su porosidad y el espesor de sendas ranuras en la zona de unión entre el alma y las alas de la sección. Inicialmente se han realizado ensayos estáticos en un túnel aerodinámico con objeto de obtener las cargas aerodinámicas y poder aplicar el criterio casi-estático de Glauert - Den Hartog. En estos ensayos, se han medido tanto las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámicas como las distribuciones de presiones en la superficie de la zona central de la sección. Posteriormente, se han realizado ensayos de visualización de flujo, utilizando un túnel de humos, para poder comprender mejor el comportamiento físico del aire alrededor del cuerpo. El estudio estático se ha completado realizando ensayos con PIV, que permiten realizar una medida precisa de la velocidad del campo fluido. Por último, se han realizado ensayos dinámicos en otro túnel aerodinámico con objeto de contrastar la aplicabilidad del criterio casi-estático, la velocidad de inicio de galope y la amplitud de las oscilaciones producidas. Los resultados muestran que el espesor de las alas verticales, aunque modifica apreciablemente la magnitud de las cargas aerodinámicas, no afecta sustancialmente a la estabilidad a galope, mientras que su porosidad sí ejerce un control efectivo que permite reducir este fenómeno e incluso evitarlo, en determinados casos. En todas las situaciones el criterio de Glauert-Glauert - Den Hartog ha resultado ser aplicable y, en ocasiones, más restrictivo que los resultados obtenidos en ensayos dinámicos. La presencia de una ranura en la zona de unión entre el alma y las dos alas, o su combinación con la porosidad en las alas, reduce la intensidad de galope, incrementando la velocidad crítica de su inicio, pero no logra hacer que desaparezca, como se justificará en el desarrollo del trabajo. ABSTRACT Galloping is a type of aeroelastic instability characterized by a large amplitude oscillation at the natural frequency of the structure, producing normal motion to wind. It usually occurs in slender bodies lightly damped at sufficiently high speeds. In this thesis an experimental study has been developed on the galloping instability of a beam with H cross section, which is inscribed in a rectangle with a slender 1: 2. A systematic study has been carried out of the influence of three different geometric parameters on galloping, in the range of 0 to 90° angle of attack of the incoming stream. These parameters are the thickness of the flanges of the section, the porosity of the flanges, the thickness of two slots along the span, in the area between the flange and the central core of the section, and the combination effect of the last two parameters. First of all, static tests have been performed in a wind tunnel to determine the lift and drag forces by using a balance and then the quasi-static stability criterion due to Glauert-Den Hartog has been determined. Later, to better understand and verify the results previously obtained, it has also been tested the pressure distribution on the surface of the model, flow visualization in a second, smoke, wind tunnel, and Particle Image Velocimetry (PIV) study of the flow around the section, in a third tunnel. Finally, dynamic tests have been performed, on a fourth wind tunnel, for determining the amplitude and frequency of the oscillations in each case. The results have been collected in stability diagrams for each geometric parameter studied. These results show that the more critical angles of attack of the stream for galloping behavior are close to 0 and 90º. It has been found that the thickness of the flanges, although changes the galloping behavior on the section, does not reduce it substantially. However, the porosity in the flanges has been proved to be an efficient control mechanism on galloping, and even above 40% porosity, it disappears. The thickness of the slot studied and its combination with the porosity in the flanges in some cases reduces the aerodynamic forces appreciably but fail to prevent galloping at all angles of attack.

A wind tunnel two-dimensional parametric investigation of biplane configurations

This paper presents an experimental and systematic investigation about how geometric parameters on a biplane configuration have an influence on aerodynamic parameters. This experimental investigation has been developed in a two-dimensional approach. Theoretical studies about biplanes configurations have been developed in the past, but there is not enough information about experimental wind tunnel data at low Reynolds number. This two-dimensional study is a first step to further tridimensional investigations about the box wing configuration. The main objective of the study is to find the relationships between the geometrical parameters which present the best aerodynamic behavior: the highest lift, the lowest drag and the lowest slope of the pitching moment. A tridimensional wing-box model will be designed following the pattern of the two dimensional study conclusions. It will respond to the geometrical relationships that have been considered to show the better aerodynamic behavior. This box-wing model will be studied in the aim of comparing the advantages and disadvantages between this biplane configuration and the plane configuration, looking for implementing the box-wing in the UAV?s field. Although the box wing configuration has been used in a small number of existing UAV, prestigious researchers have found it as a field of high aerodynamic and structural potential.

Energetic performance of landfill and digester biogas in a domestic cooker

The energetic performance of landfill biogas (LB) and biodigester biogas (BB) from municipal waste was examined in consumption tests. These tests were performed in situ at a gas generation plant associated with a landfill facility in Madrid (Spain) and following the standard UNE-EN 30-2-1 (1999). The jets of a domestic cooker commonly used for natural gas (NG) or liquefied petroleum gas (LPG) were modified to operate with the biogases produced at the facility. The working pressures best suited to the tested gases, i.e., to avoid flashback and flame lift, and to ensure the stability and correct functioning of the flame during combustion, were determined by trial and error. Both biogases returned optimum energetic performance for the transfer of heat to water in a metallic recipient (as required by the above standard) at a supply pressure of 10 mbar. Domestic cookers are normally supplied with NG at a pressure of 20 mbar, at which pressure the energetic performance of G20 reference gas was higher than that of both biogases (52.84% compared to 38.06% and 49.77% respectively). Data concerning these issues involving also unexplored feedstock are required for the correct conversions of domestic cookers in order to avoid risks of serious personal injuries or property damages.

Laser induced forward transfer of silver pastes for printing of fingers in c-si cells.

The main objective of this work is to adapt the Laser Induced Forward Techniques (LIFT), a well- known laser direct writing technique for material transfer, to define metallic contacts (fingers and busbars) onto c-Si cells. The silver paste (with viscosity around 30-50 kcPs) is applied over a glass substrate using a coater. The thickness of the paste can be control changing the deposit parameters. The glass with the silver paste is set at a controlled gap over the c-Si cell. A solid state pulsed laser (532 nm) is focused at the glass/silver interface producing a droplet of silver that it is transferred to the c-Si cell. A scanner is used to print lines. The process parameters (silver paste thickness, gap and laser parameters -spot size, pulse energy and overlapping of pulses) are modified and the morphology of the lines is studied using confocal microscopy. Long lines are printed and the uniformity (in thickness and height) is studied. Some examples of metallization of larger areas (up to 10 cm x 10 cm) are presented.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.

Analysis of air flow past and through the 2415-3S airfoil for an unmanned aerial vehicle with internal propulsion system

This paper deals with the prediction of velocity fields on the 2415-3S airfoil which will be used for an unmanned aerial vehicle with internal propulsion system and in this way analyze the air flow through an internal duct of the airfoil using computational fluid dynamics. The main objective is to evaluate the effect of the internal air flow past the airfoil and how this affects the aerodynamic performance by means of lift and drag forces. For this purpose, three different designs of the internal duct were studied; starting from the base 2415-3S airfoil developed in previous investigation, basing on the hypothesis of decreasing the flow separation produced when the propulsive airflow merges the external flow, and in this way obtaining the best configuration. For that purpose, an exhaustive study of the mesh sensitivity was performed. It was used a non-structured mesh since the computational domain is three-dimensional and complex. The selected mesh contains approximately 12.5 million elements. Both the computational domain and the numerical solution were made with commercial CAD and CFD software, respectively. Air, incompressible and steady was analyzed. The boundary conditions are in concordance with experimental setup in the AF 6109 wind tunnel. The k-e model is utilized to describe the turbulent flow process as followed in references. Results allowed obtaining velocity contours as well as lift and drag coefficients and also the location of separation and reattachment regions in some cases for zero degrees of angle of attack on the internal and external surfaces of the airfoil. Finally, the selection of the configuration with the best aerodynamic performance was made, selecting the option without curved baffles.

Numerical analysis of air flow past the 2415-3S airfoil for an unmanned aerial vehicle with internal propulsion system

This paper deals with the prediction of pressure and velocity fields on the 2415-3S airfoil which will be used for and unmanned aerial vehicle with internal propulsion system and in this way analyze the air flow through an internal duct of the airfoil using computational fluid dynamics. The main objective is to evaluate the effect of the internal air flow past the airfoil and how this affects the aerodynamic performance by means of lift and drag forces. For this purpose, three different designs of the internal duct were studied; starting from the base 2415-3S airfoil developed in previous investigation, basing on the hypothesis of decreasing the flow separation produced when the propulsive airflow merges the external flow, and in this way obtaining the best configuration. For that purpose, an exhaustive study of the mesh sensitivity was performed. It was used a non-structured mesh since the computational domain is tridimensional and complex. The selected mesh contains approximately 12.5 million elements. Both the computational domain and the numerical solution were made with commercial CAD and CFD software respectively. Air, incompressible and steady was analyzed. The boundary conditions are in concordance with experimental setup in the AF 6109 wind tunnel. The k-ε model is utilized to describe the turbulent flow process as followed in references. Results allowed obtaining pressure and velocity contours as well as lift and drag coefficients and also the location of separation and reattachment regions in some cases for zero degrees of angle of attack on the internal and external surfaces of the airfoil. Finally, the selection of the configuration with the best aerodynamic performance was made, selecting the option without curved baffles.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.

Perfil de playas sustentadas : estudio hidrodinámico y experimental : directrices de diseño

Las playas sustentadas por medio de un pie sumergido son una atractiva alternativa de diseño de regeneración de playas especialmente cuando las condiciones física del emplazamiento o las características de la arena nativa y de préstamo producen perfiles de alimentación que no se intersectan. La observación y propuesta de este tipo de solución data de los años 1960’s, así como la experiencia internacional en la construcción de este tipo de playas. Sin embargo, a pesar de su utilización y los estudios en campo y laboratorio, no se dispone de criterios ingenieriles que apoyen el diseño de las mismas. Esta tesis consiste en un análisis experimental del perfil de playas sustentadas en un pie sumergido (o colgadas) que se concreta en una propuesta de directrices de diseño general que permiten estimar la ubicación y características geométricas del pie sumergido frente a un oleaje y material que constituye la playa determinados. En la tesis se describe el experimento bidimensional realizado en el modelo físico de fondo móvil, donde se combinan cinco tipos de oleaje con tres configuraciones del pie sumergido (“Sin estructura”, configuración baja o “Estructura 1” y configuración alta o “Estructura 2”), se presentan los resultados obtenidos y se realiza una discusión detallada de las implicaciones de los resultados desde el punto de vista hidrodinámico utilizando monomios adimensionales. Se ha realizado un análisis detallado del estado del arte sobre playas colgadas, presentando el concepto y las experiencias de realizaciones en distintos países. Se ha realizado una cuidadosa revisión de la literatura publicada sobre estudios experimentales de playas colgadas, modelos teóricos y otras cuestiones auxiliares, necesarias para la formulación de la metodología de la tesis. El estudio realizado se ha estructurado en dos fases. En la primera fase se ha realizado una experimentación en un modelo físico de fondo móvil construido en las instalaciones del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), consistente en un canal de 36 m de longitud, 3 m de anchura y 1.5 m de altura, provisto de un generador de oleaje de tipo pistón. Se ha diseñado una campaña de 15 ensayos, que se obtienen sometiendo a cinco tipos de oleaje tres configuraciones distintas de playa colgada. En los ensayos se ha medido el perfil de playa en distintos instantes hasta llegar al equilibrio, determinando a partir de esos datos el retroceso de la línea de costa y el volumen de sedimentos perdido. El tiempo total efectivo de ensayo asciende a casi 650 horas, y el número de perfiles de evolución de playa obtenidos totaliza 229. En la segunda fase se ha abordado el análisis de los resultados obtenidos con la finalidad de comprender el fenómeno, identificar las variables de las que depende y proponer unas directrices ingenieriles de diseño. Se ha estudiado el efecto de la altura de ola, del periodo del oleaje, del francobordo adimensional y del parámetro de Dean, constatándose la dificultad de comprensión del funcionamiento de estas obras ya que pueden ser beneficiosas, perjudiciales o inocuas según los casos. También se ha estudiado la respuesta del perfil de playa en función de otros monomios adimensionales, tales como el número de Reynolds o el de Froude. En el análisis se ha elegido el monomio “plunger” como el más significativo, encontrando relaciones de éste con el peralte de oleaje, la anchura de coronación adimensional, la altura del pie de playa adimensional y el parámetro de Dean. Finalmente, se propone un método de diseño de cuatro pasos que permite realizar un primer encaje del diseño funcional de la playa sustentada frente a un oleaje de características determinadas. Las contribuciones más significativas desde el punto de vista científico son: - La obtención del juego de resultados experimentales. - La caracterización del comportamiento de las playas sustentadas. - Las relaciones propuestas entre el monomio plunger y las distintas variables explicativas seleccionadas, que permiten predecir el comportamiento de la obra. - El método de diseño propuesto, en cuatro pasos, para este tipo de esquemas de defensa de costas. Perched beaches are an attractive beach nourishment design alternative especially when either the site conditions or the characteristics of both the native and the borrow sand lead to a non-intersecting profile The observation and suggestion of the use of this type of coastal defence scheme dates back to the 1960’s, as well as the international experience in the construction of this type of beaches. However, in spite of its use and the field and laboratory studies performed to-date, no design engineering guidance is available to support its design. This dissertation is based on the experimental work performed on a movable bed physical model and the use of dimensionless parameters in analyzing the results to provide general functional design guidance that allow the designer, at a particular stretch of coast - to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill as well as to estimate the suitable sand size to be used in the nourishment. This dissertation consists on an experimental analysis of perched beaches by means of a submerged sill, leading to the proposal of general design guidance that allows to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill when facing a wave condition and for a given beach material. The experimental work performed on a bi-dimensional movable bed physical model, where five types of wave conditions are combined with three configurations of the submerged sill (“No structure”, low structure or “Structure 1”, and high structure or “Structure 2”) is described, results are presented, and a detailed discussion of the results - from the hydrodynamic point of view – of the implications of the results by using dimensionless parameters is carried out. A detailed state of the art analysis about perched beaches has been performed, presenting the “perched beach concept” and the case studies of different countries. Besides, a careful revision of the literature about experimental studies on perched beaches, theoretical models, and other topics deemed necessary to formulate the methodology of this work has been completed. The study has been divided into two phases. Within the first phase, experiments on a movable-bed physical model have been developed. The physical model has been built in the Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) facilities, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). The wave flume is 36 m long, 3 m wide and 1.5 m high, and has a piston-type regular wave generator available. The test plan consisted of 15 tests resulting from five wave conditions attacking three different configurations of the perched beach. During the development of the tests, the beach profile has been surveyed at different intervals until equilibrium has been reached according to these measurements. Retreat of the shoreline and relative loss of sediment in volume have been obtained from the measurements. The total effective test time reaches nearly 650 hours, whereas the total number of beach evolution profiles measured amounts to 229. On the second phase, attention is focused on the analysis of results with the aim of understanding the phenomenon, identifying the governing variables and proposing engineering design guidelines. The effect of the wave height, the wave period, the dimensionless freeboard and of the Dean parameter have been analyzed. It has been pointed out the difficulty in understanding the way perched beaches work since they turned out to be beneficial, neutral or harmful according to wave conditions and structure configuration. Besides, the beach profile response as a function of other dimensionless parameters, such as Reynolds number or Froude number, has been studied. In this analysis, the “plunger” parameter has been selected as the most representative, and relationships between the plunger parameter and the wave steepness, the dimensionless crest width, the dimensionless crest height, and the Dean parameter have been identified. Finally, an engineering 4-step design method has been proposed, that allows for the preliminary functional design of the perched beach for a given wave condition. The most relevant contributions from the scientific point of view have been: - The acquisition of a consistent set of experimental results. - The characterization of the behavior of perched beaches. - The proposed relationships between the plunger parameter and the different explanatory variables selected, that allow for the prediction of the beach behavior. - The proposed design method, four-step method, for this type of coastal defense schemes.