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

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

Four Decades of Studying Global Linear Instability: Progress and Challenges

Global linear instability theory is concerned with the temporal or spatial development of small-amplitude perturbations superposed upon laminar steady or time-periodic three-dimensional flows, which are inhomogeneous in two(and periodic in one)or all three spatial directions.After a brief exposition of the theory,some recent advances are reported. First, results are presented on the implementation of a Jacobian-free Newton–Krylov time-stepping method into a standard finite-volume aerodynamic code to obtain global linear instability results in flows of industrial interest. Second, connections are sought between established and more-modern approaches for structure identification in flows, such as proper orthogonal decomposition and Koopman modes analysis (dynamic mode decomposition), and the possibility to connect solutions of the eigenvalue problem obtained by matrix formation or time-stepping with those delivered by dynamic mode decomposition, residual algorithm, and proper orthogonal decomposition analysis is highlighted in the laminar regime; turbulent and three-dimensional flows are identified as open areas for future research. Finally, a new stable very-high-order finite-difference method is implemented for the spatial discretization of the operators describing the spatial biglobal eigenvalue problem, parabolized stability equation three-dimensional analysis, and the triglobal eigenvalue problem; it is shown that, combined with sparse matrix treatment, all these problems may now be solved on standard desktop computers

La barrera del análisis estructural y la representación gráfica en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos: el caso de la Ópera de Sidney

En numerosas ocasiones a lo largo de la historia la imaginación de los creadores ha ido por delante de las posibilidades técnicas de cada momento. Así, muchas de estas nuevas ideas han requerido largos periodos de tiempo para materializarse como realidad construida, hasta que el desarrollo tecnológico e industrial hubo alcanzado un grado de madurez suficiente. En el campo de la arquitectura, estas limitaciones técnicas se han ido acotando paulatinamente hasta desembocar en la situación actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser representado gráficamente y analizado desde un punto de vista estructural, superádose de este modo la barrera existente históricamente en el tratamiento de las formas. A lo largo del presente tesis doctoral se analiza cómo la formulación del Método de los Elementos Finitos en la década de los cincuenta y las curvas de Bézier en la década de los sesenta del siglo pasado y la posterior generalización de los ordenadores personales y de los programas informáticos asociados (C.A.D. y F.E.M. principalmente) en los estudios de arquitectura e ingeniería a partir de la década de los noventa, posibilitó el desarrollo de cualquier propuesta arquitectónica, por compleja que ésta fuese, provocando una verdadera revolución a nivel formal en el mundo de la arquitectura, especialmente en el campo de la edificación singular o icónica. Se estudia este proceso a través de ocho edificios; cuatro anteriores y otros tantos posteriores a la desaparición de la barrera anteriormente referida, establecida de forma simbólica en la década de los años ochenta del siglo XX: Frontón de Recoletos en Madrid, Edificio Seagram en Nueva York, Habitat ’67 en Montreal, Ópera de Sídney, museo Guggenheim de Bilbao, ampliación del Victoria & Albert Museum en Londres, tanatorio “Meiso no Mori” en Gifu y nueva sede de la CCTV en Pekín. De entre ellos, la Ópera de Sídney, obra del arquitecto danés Jørn Utzon, condensa gran parte de los aspectos relevantes investigados en relación a la influencia que los métodos de representación y análisis estructural ejercen en la concepción y construcción de las obras de arquitectura. Por este motivo y por considerarse un hito de la arquitectura a nivel global se toma como caso de estudio. La idea general del edificio, que data de 1956, se enmarca en una época inmediatamente anterior a la del desarrollo científico y tecnológico anteriormente referido. Esta ausencia de herramientas de diseño disponibles acordes a la complejidad formal de la propuesta planteada condicionó enormente la marcha del proyecto, dilatándose dramáticamente en el tiempo y disparándose su coste hasta el punto de que el propio arquitecto danés fue separado de las obras antes de su conclusión. Además, la solución estructural finalmente construida de las cubiertas dista mucho de la prevista por Utzon inicialmente. Donde él había imaginado unas finas láminas de hormigón flotando sobre el paisaje se materializó una estructura más pesada, formada por costillas pretensadas de hormigón con unas secciones notablemente mayores. La forma también debió ser modificada de modo ostensible respecto a la propuesta inicial. Si este edificio se pretendiese construir en la actualidad, con toda seguridad el curso de los acontecimientos se desarrollaría por senderos muy diferentes. Ante este supuesto, se plantean las siguientes cuestiones: ¿sería posible realizar un análisis estructural de la cubierta laminar planteada por Utzon inicialmente en el concurso con las herramientas disponibles en la actualidad?; ¿sería dicha propuesta viable estructuralmente?. A lo largo de las siguientes páginas se pretende dar respuesta a estas cuestiones, poniendo de relieve el impacto que los ordenadores personales y los programas informáticos asociados han tenido en la manera de concebir y construir edificios. También se han analizado variantes a la solución laminar planteada en la fase de concurso, a través de las cuales, tratando en la medida de lo posible de ajustarse a las sugerencias que Ove Arup y su equipo realizaron a Jørn Utzon a lo largo del dilatado proceso de proyecto, mejorar el comportamiento general de la estructura del edificio. Por último, se ha pretendido partir de cero y plantear, desde una perspectiva contemporánea, posibles enfoques metodológicos aplicables a la búsqueda de soluciones estructurales compatibles con la forma propuesta originalmente por Utzon para las cubiertas de la Ópera de Sídney y que nunca llegó a ser construida (ni analizada), considerando para ello los medios tecnológicos, científicos e industriales disponibles en la actualidad. Abstract On numerous occasions throughout history the imagination of creators has gone well beyond of the technical possibilities of their time. Many new ideas have required a long period to materialize, until the technological and industrial development had time to catch up. In the architecture field, these technical limitations have gradually tightened leading to the current situation in which any formal approach can be represented and analyzed from a structural point of view, thus concluding that the structural analysis and the graphical representation’s barrier in the development of architectural projects has dissappeared. Throughout the following pages it is examined how the development of the Finite Element Method in the fifties and the Bezier curves in the sixties of the last century and the subsequent spread of personal computers and specialized software in the architectural and engineering offices from the nineties, enabled the development of any architectural proposal independently of its complexity. This has caused a revolution at a formal level in architecture, especially in the field of iconic building. This process is analyzed through eight buildings, four of them before and another four after the disappearance of the above mentioned barrier, roughly established in the eighties of the last century: Fronton Recoletos in Madrid, Seagram Building in New York Habitat '67 in Montreal, Sydney Opera House, Guggenheim Museum Bilbao, Victoria & Albert Museum extension in London, Crematorium “Meiso no Mori” in Gifu and the new CCTV headquarters in Beijing. Among them, the Sydney Opera House, designed by Danish architect Jørn Utzon, condenses many of the main aspects previously investigated regarding the impact of representation methods and structural analysis on the design and construction of architectural projects. For this reason and also because it is considered a global architecture milestone, it is selected as a case study. The building’s general idea, which dates from 1956, is framed at a time immediately preceding the above mentioned scientific and technological development. This lack of available design tools in accordance with the proposal’s formal complexity conditioned enormously the project’s progress, leading to a dramatic delay and multiplying the final budget disproportionately to the point that the Danish architect himself was separated from the works before completion. Furthermore, the built structure differs dramatically from the architect’s initial vision. Where Utzon saw a thin concrete shell floating over the landscape a heavier structure was built, consisting of prestressed concrete ribs with a significantly greater size. The geometry also had to be modified. If this building were to built today, the course of events surely would walk very different paths. Given this assumption, a number of questions could then be formulated: Would it be possible to perform a structural analysis of Utzon’s initially proposed competition-free-ways roof’s geometry with the tools available nowadays?; Would this proposal be structurally feasable?. Throughout the following pages it is intended to clarify this issues, highlighting personal computers and associated software’s impact in building design and construction procedures, especially in the field of iconic building. Variants have also been analyzed for the laminar solution proposed in the competition phase, through which, trying as far as possible to comply with the suggestions that Ove Arup and his team did to Jørn Utzon along the lengthy process project, improving the overall performance of the building structure. Finally, we have started from scratch and analyzed, from a contemporary perspective, possible structural solutions compatible with Utzon’s Opera House’s original geometry and vision –proposal that was never built (nor even analyzed)-, taking into consideration the technological, scientific and industrial means currently available.

Intermittency reinjection probability density function with and without noise effects.

Intermittency phenomenon is a continuous route from regular to chaotic behaviour. Intermittency is an occurrence of a signal that alternates chaotic bursts between quasi-regular periods called laminar phases, driven by the so called reinjection probability density function (RPD). In this paper is introduced a new technique to obtain the RPD for type-II and III intermittency. The new RPD is more general than the classical one and includes the classical RPD as a particular case. The probabilities of the laminar length, the average laminar lengths and the characteristic relations are determined with and without lower bound of the reinjection in agreement with numerical simulations. Finally, it is analyzed the noise effect in intermittency. A method to obtain the noisy RPD is developed extending the procedure used in the noiseless case. The analytical results show a good agreement with numerical simulations.

Metodología para el análisis de válvulas cardíacas en condiciones no estacionarias usando el método de los volúmenes finitos

En el presente trabajo se desarrolla una metodología para llevar a cabo el análisis dinámico de una válvula cardíaca artificial en condiciones de flujo no estacionario, usando un programa de computación de aplicaciones generales basado en el Método de los Volúmenes Finitos. Dicha metodología comprende el establecimiento e implementación computacional de un modelo que representa el movimiento de la válvula (posición, velocidad y aceleración angular) como el resultado de la acción de fuerzas debidas a la presión y a los esfuerzos cortantes del fluido, tomando en cuenta la inercia de la prótesis, así como el establecimiento e imposición como condición de contorno de una función de presión en la entrada del conducto. Con la finalidad de implementar la metodología desarrollada se realiza un estudio preliminar para seleccionar la malla más adecuada, determinar el tamaño óptimo del paso en el tiempo y el mínimo número de iteracciones a utilizar. Posteriormente, se resuelve el flujo laminar, incomprensible y newtoniano a través de una válvula de doble hoja en posición aórtica, y se realiza un estudio paramétrico para analizar la influencia del cambio de diversos párametros inherentes a la prótesis sobre su desempeño.

Validación del método de predicción de direcciones principales de drenaje subterráneo en macizos anisótropos, en los terrenos volcánicos del macizo de Anaga, Tenerife

Actualmente y desde hace ya más de 25 años, el Método de “Predicción de las Direcciones Principales de Drenaje Subterráneo en Macizos Anisótropos”, ha sido utilizado con éxito en diferentes terrenos Kársticos como: calizas, yesos, cuarcitas, pizarras, granitos y criokarst (karst en el hielo glaciar). Sin embargo hasta ahora, nunca se había validado en terrenos volcánicos donde está focalizada esta tesis que lleva por título, Validación de dicho Método en los Terrenos Volcánicos del Macizo de Anaga en Tenerife. Este Método matemático consiste esencialmente en “Predecir y Cuantificar” las direcciones principales de drenaje turbulento subterráneo en macizos anisótropos. Para ello se basa en el estudio realizado en campo de los tectoglifos o deformaciones permanentes del macizo, impresas éstas en la roca, como consecuencia de los esfuerzos tectónicos a los que ha estado sometido dicho macizo. Se consigue de esta manera cubrir el vacío para macizos anisótropos que existe con el modelo matemático de flujo subterráneo laminar (macizos isótropos) definido por Darcy (1856). Para validar el Método se ha elegido el macizo de Anaga, pues es la zona de mayor anisotropía existente en la isla de Tenerife, conformada por una gran y extensa red de diques de diversas formas y tamaños que pertenecen a la familia de diques del eje estructural NE de la isla. En dicho macizo se realizó un exhaustivo trabajo de campo con la toma 331 datos (diques basálticos) y se aplicó el Método, consiguiendo definir las direcciones preferentes de drenaje subterráneo en el macizo de Anaga. Esta predicción obtenida se contrastó con la realidad del drenaje en la zona, conocida gracias a la existencia de cinco galerías ubicadas en la zona trabajo, de las cuales se tiene información sobre sus alumbramientos. En todos los casos se demuestra la bondad de la predicción obtenida con el Método. Queda demostrado que a mayor caos geológico o geotectónico, se ha conseguido mejor predicción del Método, obteniéndose resultados muy satisfactorios para aquellas galerías de agua en las que su rumbo de avance fue coincidente con la dirección perpendicular a la obtenida con la predicción dada por el Método, como dirección preferente de drenaje en la zona en la que se encuentra ubicada cada galería. No cabe duda que la validación de Método en los terrenos volcánicos de Tenerife, supondrá un cambio considerable en el mundo de la hidrogeología en este tipo de terrenos. Es la única herramienta matemática que se dispone para predecir un rumbo acertado en el avance de la perforación de las galerías de aguas, lo que conlleva al mismo tiempo un ahorro importantísimo en la ejecución de las obras. Por otro lado, el Método deja un importante legado a la sociedad canaria, pues con él se abren numerosas vías de trabajo e investigación que generarán un importante desarrollo en el mundo de la hidrogeología volcánica. ABSTRACT Currently and for over 25 years now, the Method of "Prediction of Subsurface Drainage Main Directions in Anisotropic Massifs" has been successfully used in various karstic terrains such as: limestone, gypsum, quartzite, slate, granite and criokarst (karst in the glacier ice). However, until now, it had never been validated in volcanic terrains where is focused this thesis entitled Validation of such Method in the Anaga Massif Volcanic Terrains, in Tenerife. This mathematical method is essentially "predict and quantify" the main directions of groundwater turbulent drainage in anisotropic massifs. This is based on field study of tectoglifes or permanent deformation of the massif, printed on the rocks as a result of previous tectonic stresses. Therefore it is possible to use in anisotropic rock mathematical model instead of the isotropic laminar flow mathematical models defined by Darcy (1856). The Anaga Massif have been chosen to validate the method, because it presents the greatest anisotropy in Tenerife Island, shaped by a large and extensive network of dikes of various shapes and sizes that belong to the family of NE structural axis dikes of the island. An exhaustive field work was carried out in such massif, with 331 collected data (basaltic dikes) and the method was applied, in order to define the preferred direction of the underground drainage in the Anaga massif. This obtained prediction was contrasted to the reality of the drainage in the area, known thanks to the existence of five galleries located in the work area, from which information about their springs was available. In all cases it was possible to demonstrate the fitness of the prediction obtained by the method. It had been demonstrated that a greater geological or geotectonic chaos enhances a better prediction of the method, that predicted very satisfactory results for those water galleries which directions were perpendicular to that predicted by the Method as a drainage preferential direction, for the zone where was located each gallery. No doubt that the validation of the use of the Method in the volcanic terrain of Tenerife, means a considerable change in the world of hydrogeology in this type of terrain. It is the only mathematical tool available to predict a successful drilling direction in advancing water galleries, what also leads to major savings in execution of the drilling works. Furthermore, the method leaves an important legacy to the Canary Islands society, because it opens many lines of work and research to generate a significant development in the world of volcanic hydrogeology.

La hidráulica kárstica como aplicación de la hidrodinámica general. Estudio del flujo en un terreno yesífero fisurado

Se pretende plantear y desarrollar algunas de las leyes clásicas de hidrodinámica introduciendo las características que permiten su aplicación al flujo subterráneo en general y a la hidráulica kárstica en particular. Se estudia la consideración de si el movimiento del agua subterránea en el karst se puede definir como flujo a través de conductos individuales o como un medio continuo con huecos saturados en una matriz sólida. Los trabajos de Hagen (1839) y Poiseuille (1846), junto con los de Darcy (1856) configuran la referencia básica para este estudio (in Crespo, 2006). A ellos puede añadirse también las aportaciones de Couette y Chezy (Rouse, 1951) para flujo libre sobre superficies rocosas. Se presentan varios casos en los que las leyes del movimiento laminar unidireccional ofrecen soluciones que pueden ser válidas para la definición de los parámetros fundamentales del flujo del agua en el subsuelo.

Horizontal visibility graphs generated by type-I intermittency

The type-I intermittency route to (or out of) chaos is investigated within the horizontal visibility (HV) graph theory. For that purpose, we address the trajectories generated by unimodal maps close to an inverse tangent bifurcation and construct their associatedHVgraphs.We showhowthe alternation of laminar episodes and chaotic bursts imprints a fingerprint in the resulting graph structure. Accordingly, we derive a phenomenological theory that predicts quantitative values for several network parameters. In particular, we predict that the characteristic power-law scaling of the mean length of laminar trend sizes is fully inherited by the variance of the graph degree distribution, in good agreement with the numerics. We also report numerical evidence on how the characteristic power-law scaling of the Lyapunov exponent as a function of the distance to the tangent bifurcation is inherited in the graph by an analogous scaling of block entropy functionals defined on the graph. Furthermore, we are able to recast the full set of HV graphs generated by intermittent dynamics into a renormalization-group framework, where the fixed points of its graph-theoretical renormalization-group flow account for the different types of dynamics.We also establish that the nontrivial fixed point of this flow coincides with the tangency condition and that the corresponding invariant graph exhibits extremal entropic properties.

Theory of intermittency applied to classical pathological cases

The classical theory of intermittency developed for return maps assumes uniform density of points reinjected from the chaotic to laminar region. Though it works fine in some model systems, there exist a number of so-called pathological cases characterized by a significant deviation of main characteristics from the values predicted on the basis of the uniform distribution. Recently, we reported on how the reinjection probability density (RPD) can be generalized. Here, we extend this methodology and apply it to different dynamical systems exhibiting anomalous type-II and type-III intermittencies. Estimation of the universal RPD is based on fitting a linear function to experimental data and requires no a priori knowledge on the dynamical model behind. We provide special fitting procedure that enables robust estimation of the RPD from relatively short data sets (dozens of points). Thus, the method is applicable for a wide variety of data sets including numerical simulations and real-life experiments. Estimated RPD enables analytic evaluation of the length of the laminar phase of intermittent behaviors. We show that the method copes well with dynamical systems exhibiting significantly different statistics reported in the literature. We also derive and classify characteristic relations between the mean laminar length and main controlling parameter in perfect agreement with data provided by numerical simulations

Accurate Parabolic Navier-Stokes solutions of the supersonic flow around and elliptic cone

Flows of relevance to new generation aerospace vehicles exist, which are weakly dependent on the streamwise direction and strongly dependent on the other two spatial directions, such as the flow around the (flattened) nose of the vehicle and the associated elliptic cone model. Exploiting these characteristics, a parabolic integration of the Navier-Stokes equations is more appropriate than solution of the full equations, resulting in the so-called Parabolic Navier-Stokes (PNS). This approach not only is the best candidate, in terms of computational efficiency and accuracy, for the computation of steady base flows with the appointed properties, but also permits performing instability analysis and laminar-turbulent transition studies a-posteriori to the base flow computation. This is to be contrasted with the alternative approach of using order-of-magnitude more expensive spatial Direct Numerical Simulations (DNS) for the description of the transition process. The PNS equations used here have been formulated for an arbitrary coordinate transformation and the spatial discretization is performed using a novel stable high-order finite-difference-based numerical scheme, ensuring the recovery of highly accurate solutions using modest computing resources. For verification purposes, the boundary layer solution around a circular cone at zero angle of attack is compared in the incompressible limit with theoretical profiles. Also, the recovered shock wave angle at supersonic conditions is compared with theoretical predictions in the same circular-base cone geometry. Finally, the entire flow field, including shock position and compressible boundary layer around a 2:1 elliptic cone is recovered at Mach numbers 3 and 4

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.

Influence of Strouhal number on pulsating methane–air coflow jet diffusion flames

Four periodically time-varying methane–air laminar coflow jet diffusion flames, each forced by pulsating the fuel jet's exit velocity Uj sinusoidally with a different modulation frequency wj and with a 50% amplitude variation, have been computed. Combustion of methane has been modeled by using a chemical mechanism with 15 species and 42 reactions, and the solution of the unsteady Navier–Stokes equations has been obtained numerically by using a modified vorticity-velocity formulation in the limit of low Mach number. The effect of wj on temperature and chemistry has been studied in detail. Three different regimes are found depending on the flame's Strouhal number S=awj/Uj, with a denoting the fuel jet radius. For small Strouhal number (S=0.1), the modulation introduces a perturbation that travels very far downstream, and certain variables oscillate at the frequency imposed by the fuel jet modulation. As the Strouhal number grows, the nondimensional frequency approaches the natural frequency of oscillation of the flickering flame (S≃0.2). A coupling with the pulsation frequency enhances the effect of the imposed modulation and a vigorous pinch-off is observed for S=0.25 and S=0.5. Larger values of S confine the oscillation to the jet's near-exit region, and the effects of the pulsation are reduced to small wiggles in the temperature and concentration values. Temperature and species mass fractions change appreciably near the jet centerline, where variations of over 2% for the temperature and 15% and 40% for the CO and OH mass fractions, respectively, are found. Transverse to the jet movement, however, the variations almost disappear at radial distances on the order of the fuel jet radius, indicating a fast damping of the oscillation in the spanwise direction.

Sheath vaporization of a monodisperse fuel-spray jet

The group vaporization of a monodisperse fuel-spray jet discharging into a hot coflowing gaseous stream is investigated for steady flow by numerical and asymptotic methods with a two-continua formulation used for the description of the gas and liquid phases. The jet is assumed to be slender and laminar, as occurs when the Reynolds number is moderately large, so that the boundary-layer form of the conservation equations can be employed in the analysis. Two dimensionless parameters are found to control the flow structure, namely the spray dilution parameter 1, defined as the mass of liquid fuel per unit mass of gas in the spray stream, and the group vaporization parameter e, defined as the ratio of the characteristic time of spray evolution due to droplet vaporization to the characteristic diffusion time across the jet. It is observed that, for the small values of e often encountered in applications, vaporization occurs only in a thin layer separating the spray from the outer droplet-free stream. This regime of sheath vaporization, which is controlled by heat conduction, is amenable to a simplified asymptotic description, independent of ε,in which the location of the vaporization layer is determined numerically as a free boundary in a parabolic problem involving matching of the separate solutions in the external streams, with appropriate jump conditions obtained from analysis of the quasi-steady vaporization front. Separate consideration of dilute and dense sprays, corresponding, respectively, to the asymptotic limits λ<<1 and λ>>1, enables simplified descriptions to be obtained for the different flow variables, including explicit analytic expressions for the spray penetration distance.

Dynamics of thermal ignition of spray flames in mixing layers

Conditions are identified under which analyses of laminar mixing layers can shed light on aspects of turbulent spray combustion. With this in mind, laminar spray-combustion models are formulated for both non-premixed and partially premixed systems. The laminar mixing layer separating a hot-air stream from a monodisperse spray carried by either an inert gas or air is investigated numerically and analytically in an effort to increase understanding of the ignition process leading to stabilization of high-speed spray combustion. The problem is formulated in an Eulerian framework, with the conservation equations written in the boundary-layer approximation and with a one-step Arrhenius model adopted for the chemistry description. The numerical integrations unveil two different types of ignition behaviour depending on the fuel availability in the reaction kernel, which in turn depends on the rates of droplet vaporization and fuel-vapour diffusion. When sufficient fuel is available near the hot boundary, as occurs when the thermochemical properties of heptane are employed for the fuel in the integrations, combustion is established through a precipitous temperature increase at a well-defined thermal-runaway location, a phenomenon that is amenable to a theoretical analysis based on activation-energy asymptotics, presented here, following earlier ideas developed in describing unsteady gaseous ignition in mixing layers. By way of contrast, when the amount of fuel vapour reaching the hot boundary is small, as is observed in the computations employing the thermochemical properties of methanol, the incipient chemical reaction gives rise to a slowly developing lean deflagration that consumes the available fuel as it propagates across the mixing layer towards the spray. The flame structure that develops downstream from the ignition point depends on the fuel considered and also on the spray carrier gas, with fuel sprays carried by air displaying either a lean deflagration bounding a region of distributed reaction or a distinct double-flame structure with a rich premixed flame on the spray side and a diffusion flame on the air side. Results are calculated for the distributions of mixture fraction and scalar dissipation rate across the mixing layer that reveal complexities that serve to identify differences between spray-flamelet and gaseous-flamelet problems.