Análisis de sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CFD)para el desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Propulsion Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El objetivo de este proyecto es recoger y explicar el conjunto de tareas realizadas durante el proceso de colaboración llevado a cabo en el Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” durante el curso académico 2014/2015, las cuales han conformado las prácticas externas cursadas en la titulación de Grado en Ingeniería Aeroespacial, y el Trabajo de Fin de Grado de la misma titulación. En este documento se pretende,además, poner de manifiesto la rigurosidad con la que se trabaja en el ámbito espacial y la importancia de los protocolos y procedimientos para asegurar un resultado adecuado en los trabajos realizados. Una parte importante del proyecto detalla los procesos de monitorización y mantenimiento de la batería del satélite universitario UPMSat-2 cuyo lanzamiento está previsto para el año próximo y el cual será el segundo satélite del mundo en incorporar una batería de Ión-Litio.

Numerical simulation of a synthetic jet with OpenFoam

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

Urban wind energy: empirical optimization of high-rise building roof shape for the wind energy exploitation

El programa Europeo HORIZON2020 en Futuras Ciudades Inteligentes establece como objetivo que el 20% de la energía eléctrica sea generada a partir de fuentes renovables. Este objetivo implica la necesidad de potenciar la generación de energía eólica en todos los ámbitos. La energía eólica reduce drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y evita los riesgos geo-políticos asociados al suministro e infraestructuras energéticas, así como la dependencia energética de otras regiones. Además, la generación de energía distribuida (generación en el punto de consumo) presenta significativas ventajas en términos de elevada eficiencia energética y estimulación de la economía. El sector de la edificación representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea. La reducción del consumo energético en este área es, por tanto, una prioridad de acuerdo con los objetivos "20-20-20" en eficiencia energética. La Directiva 2010/31/EU del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010 sobre el comportamiento energético de edificaciones contempla la instalación de sistemas de suministro energético a partir de fuentes renovables en las edificaciones de nuevo diseño. Actualmente existe una escasez de conocimiento científico y tecnológico acerca de la geometría óptima de las edificaciones para la explotación de la energía eólica en entornos urbanos. El campo tecnológico de estudio de la presente Tesis Doctoral es la generación de energía eólica en entornos urbanos. Específicamente, la optimization de la geometría de las cubiertas de edificaciones desde el punto de vista de la explotación del recurso energético eólico. Debido a que el flujo del viento alrededor de las edificaciones es exhaustivamente investigado en esta Tesis empleando herramientas de simulación numérica, la mecánica de fluidos computacional (CFD en inglés) y la aerodinámica de edificaciones son los campos científicos de estudio. El objetivo central de esta Tesis Doctoral es obtener una geometría de altas prestaciones (u óptima) para la explotación de la energía eólica en cubiertas de edificaciones de gran altura. Este objetivo es alcanzado mediante un análisis exhaustivo de la influencia de la forma de la cubierta del edificio en el flujo del viento desde el punto de vista de la explotación energética del recurso eólico empleando herramientas de simulación numérica (CFD). Adicionalmente, la geometría de la edificación convencional (edificio prismático) es estudiada, y el posicionamiento adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores es propuesto. La compatibilidad entre el aprovechamiento de las energías solar fotovoltaica y eólica también es analizado en este tipo de edificaciones. La investigación prosigue con la optimización de la geometría de la cubierta. La metodología con la que se obtiene la geometría óptima consta de las siguientes etapas: - Verificación de los resultados de las geometrías previamente estudiadas en la literatura. Las geometrías básicas que se someten a examen son: cubierta plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica. - Análisis de la influencia de la forma de las aristas de la cubierta sobre el flujo del viento. Esta tarea se lleva a cabo mediante la comparación de los resultados obtenidos para la arista convencional (esquina sencilla) con un parapeto, un voladizo y una esquina curva. - Análisis del acoplamiento entre la cubierta y los cerramientos verticales (paredes) mediante la comparación entre diferentes variaciones de una cubierta esférica en una edificación de gran altura: cubierta esférica estudiada en la literatura, cubierta esférica integrada geométricamente con las paredes (planta cuadrada en el suelo) y una cubierta esférica acoplada a una pared cilindrica. El comportamiento del flujo sobre la cubierta es estudiado también considerando la posibilidad de la variación en la dirección del viento incidente. - Análisis del efecto de las proporciones geométricas del edificio sobre el flujo en la cubierta. - Análisis del efecto de la presencia de edificaciones circundantes sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las contribuciones de la presente Tesis Doctoral pueden resumirse en: - Se demuestra que los modelos de turbulencia RANS obtienen mejores resultados para la simulación del viento alrededor de edificaciones empleando los coeficientes propuestos por Crespo y los propuestos por Bechmann y Sórensen que empleando los coeficientes estándar. - Se demuestra que la estimación de la energía cinética turbulenta del flujo empleando modelos de turbulencia RANS puede ser validada manteniendo el enfoque en la cubierta de la edificación. - Se presenta una nueva modificación del modelo de turbulencia Durbin k — e que reproduce mejor la distancia de recirculación del flujo de acuerdo con los resultados experimentales. - Se demuestra una relación lineal entre la distancia de recirculación en una cubierta plana y el factor constante involucrado en el cálculo de la escala de tiempo de la velocidad turbulenta. Este resultado puede ser empleado por la comunidad científica para la mejora del modelado de la turbulencia en diversas herramientas computacionales (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - La compatibilidad entre las energías solar fotovoltaica y eólica en cubiertas de edificaciones es analizada. Se demuestra que la presencia de los módulos solares provoca un descenso en la intensidad de turbulencia. - Se demuestran conflictos en el cambio de escala entre simulaciones de edificaciones a escala real y simulaciones de modelos a escala reducida (túnel de viento). Se demuestra que para respetar las limitaciones de similitud (número de Reynolds) son necesarias mediciones en edificaciones a escala real o experimentos en túneles de viento empleando agua como fluido, especialmente cuando se trata con geometrías complejas, como es el caso de los módulos solares. - Se determina el posicionamiento más adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores tomando en consideración la velocidad e intensidad de turbulencia del flujo. El posicionamiento de aerogeneradores es investigado en las geometrías de cubierta más habituales (plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica). - Las formas de aristas más habituales (esquina, parapeto, voladizo y curva) son analizadas, así como su efecto sobre el flujo del viento en la cubierta de un edificio de gran altura desde el punto de vista del aprovechamiento eólico. - Se propone una geometría óptima (o de altas prestaciones) para el aprovechamiento de la energía eólica urbana. Esta optimización incluye: verificación de las geometrías estudiadas en el estado del arte, análisis de la influencia de las aristas de la cubierta en el flujo del viento, estudio del acoplamiento entre la cubierta y las paredes, análisis de sensibilidad del grosor de la cubierta, exploración de la influencia de las proporciones geométricas de la cubierta y el edificio, e investigación del efecto de las edificaciones circundantes (considerando diferentes alturas de los alrededores) sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las investigaciones comprenden el análisis de la velocidad, la energía cinética turbulenta y la intensidad de turbulencia en todos los casos. ABSTRACT The HORIZON2020 European program in Future Smart Cities aims to have 20% of electricity produced by renewable sources. This goal implies the necessity to enhance the wind energy generation, both with large and small wind turbines. Wind energy drastically reduces carbon emissions and avoids geo-political risks associated with supply and infrastructure constraints, as well as energy dependence from other regions. Additionally, distributed energy generation (generation at the consumption site) offers significant benefits in terms of high energy efficiency and stimulation of the economy. The buildings sector represents 40% of the European Union total energy consumption. Reducing energy consumption in this area is therefore a priority under the "20-20-20" objectives on energy efficiency. The Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings aims to consider the installation of renewable energy supply systems in new designed buildings. Nowadays, there is a lack of knowledge about the optimum building shape for urban wind energy exploitation. The technological field of study of the present Thesis is the wind energy generation in urban environments. Specifically, the improvement of the building-roof shape with a focus on the wind energy resource exploitation. Since the wind flow around buildings is exhaustively investigated in this Thesis using numerical simulation tools, both computational fluid dynamics (CFD) and building aerodynamics are the scientific fields of study. The main objective of this Thesis is to obtain an improved (or optimum) shape of a high-rise building for the wind energy exploitation on the roof. To achieve this objective, an analysis of the influence of the building shape on the behaviour of the wind flow on the roof from the point of view of the wind energy exploitation is carried out using numerical simulation tools (CFD). Additionally, the conventional building shape (prismatic) is analysed, and the adequate positions for different kinds of wind turbines are proposed. The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies is also analysed for this kind of buildings. The investigation continues with the buildingroof optimization. The methodology for obtaining the optimum high-rise building roof shape involves the following stages: - Verification of the results of previous building-roof shapes studied in the literature. The basic shapes that are compared are: flat, pitched, shed, vaulted and spheric. - Analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow. This task is carried out by comparing the results obtained for the conventional edge shape (simple corner) with a railing, a cantilever and a curved edge. - Analysis of the roof-wall coupling by testing different variations of a spherical roof on a high-rise building: spherical roof studied in the litera ture, spherical roof geometrically integrated with the walls (squared-plant) and spherical roof with a cylindrical wall. The flow behaviour on the roof according to the variation of the incident wind direction is commented. - Analysis of the effect of the building aspect ratio on the flow. - Analysis of the surrounding buildings effect on the wind flow on the target building roof. The contributions of the present Thesis can be summarized as follows: - It is demonstrated that RANS turbulence models obtain better results for the wind flow around buildings using the coefficients proposed by Crespo and those proposed by Bechmann and S0rensen than by using the standard ones. - It is demonstrated that RANS turbulence models can be validated for turbulent kinetic energy focusing on building roofs. - A new modification of the Durbin k — e turbulence model is proposed in order to obtain a better agreement of the recirculation distance between CFD simulations and experimental results. - A linear relationship between the recirculation distance on a flat roof and the constant factor involved in the calculation of the turbulence velocity time scale is demonstrated. This discovery can be used by the research community in order to improve the turbulence modeling in different solvers (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies on building roofs is demonstrated. A decrease of turbulence intensity due to the presence of the solar panels is demonstrated. - Scaling issues are demonstrated between full-scale buildings and windtunnel reduced-scale models. The necessity of respecting the similitude constraints is demonstrated. Either full-scale measurements or wind-tunnel experiments using water as a medium are needed in order to accurately reproduce the wind flow around buildings, specially when dealing with complex shapes (as solar panels, etc.). - The most adequate position (most adequate roof region) for the different kinds of wind turbines is highlighted attending to both velocity and turbulence intensity. The wind turbine positioning was investigated for the most habitual kind of building-roof shapes (flat, pitched, shed, vaulted and spherical). - The most habitual roof-edge shapes (simple edge, railing, cantilever and curved) were investigated, and their effect on the wind flow on a highrise building roof were analysed from the point of view of the wind energy exploitation. - An optimum building-roof shape is proposed for the urban wind energy exploitation. Such optimization includes: state-of-the-art roof shapes test, analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow, study of the roof-wall coupling, sensitivity analysis of the roof width, exploration of the aspect ratio of the building-roof shape and investigation of the effect of the neighbouring buildings (considering different surrounding heights) on the wind now on the target building roof. The investigations comprise analysis of velocity, turbulent kinetic energy and turbulence intensity for all the cases.

Análisis CFD de un álabe del último paso de una turbina de vapor

El presente proyecto consiste en el estudio detallado de las solicitaciones mecánicas a las que se encuentra sometido un álabe correspondiente a la sección de baja presión de una turbina de vapor. Primeramente se llevará a cabo una introducción a este tipo de turbomáquinas con el fin de definir conceptos relevantes como el grado de reacción o el triángulo de velocidades, necesarios para comprender el funcionamiento de estas máquinas. A medida que se avance en la explicación de los fundamentos teóricos de la turbina de vapor, se irá profundizando cada vez más hasta llegar a la corona de álabes del rotor. Aquí se describirán las fuerzas de distinta naturaleza que soportan los álabes en condiciones de trabajo, así como el principio de formación de humedad que ocurre en los últimos escalonamientos de la etapa de baja presión. Una vez revisados todos los conceptos teóricos de interés, se pasará a simular con ayuda de un programa de Elementos Finitos la distribución de velocidades y de presión del flujo de vapor a su paso por un álabe de la última corona del rotor. El objetivo que se persigue es cuantificar tanto las tensiones mecánicas como los desplazamientos por deformación a los que se encuentra sometido el álabe debido a la interacción con el fluido a elevada velocidad. Posteriormente, como ampliación a este modelo, se ha tenido en cuenta el efecto de los condensados (pequeñas gotas de agua) que se forman en los últimos escalonamientos de la turbina debido a grandes subenfriamientos locales del vapor. Estas gotas impactan sobre el lado de succión del perfil del álabe, por tanto su contribución a los valores de tensión y desplazamiento que experimenta el álabe también será cuantificada en el programa de Elementos Finitos. Por último, se hará una recopilación de las principales conclusiones obtenidas tras el modelo simulado por ordenador, así como de la importancia de la calidad del vapor para el buen funcionamiento de la turbomáquina.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.

Interactividad entre profesorado y estudiantes mediante Wikis en la asignatura CFD en Biología y Geología

En el marco de la convocatoria de los proyectos de redes de investigación en docencia universitaria 2014-2015, de la Universidad de Alicante, se creó una red de trabajo con el fin de describir la experiencia de los autores y las autoras y del alumnado sobre el uso de la tecnología Wiki en la asignatura de CFD en Biología y Geología del Máster del Profesorado, que se imparte en la Universidad de Alicante. La tecnología Wiki es un recurso tecnológico relativamente reciente que favorece la interacción entre los usuarios y las usuarias de la misma debido a que en su concepto más amplio, una Wiki es una página web que puede ser editada por cualquier usuario o usuaria y desde diferentes navegadores. En el sistema educativo, la tecnología Wiki resulta pertinente ya que permite fomentar la interacción entre alumnado-alumnado y alumnado-profesorado gracias al hecho de que todos los contenidos de la Wiki pueden ser corregidos o eliminados, tanto por el profesorado como por el alumnado y la información estaría disponible para todos a tiempo real. El objetivo de este trabajo es, por tanto, evaluar el uso de esta tecnología Wiki en la asignatura para mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje.

Contact angle effects on microdroplet deformation using CFD

In this paper we use computational fluid dynamics (CFD) to study the effect of contact angle on droplet shape as it moves through a contraction. A new non-dimensional number is proposed in order to predict situations where the deformed droplet will form a slug in the contraction and thus have the opportunity to interact with the channel wall. It is proposed that droplet flow into a contraction is a useful method to ensure that a droplet will wet a channel surface without a trapped lubrication film, and thus help ensure that a slug will remain attached to the wall downstream of the contraction. We demonstrate that when a droplet is larger than a contraction, capillary and Reynolds numbers, and fluid properties may not be sufficient to fully describe the droplet dynamics through a contraction. We show that, with everything else constant, droplet shape and breakup can be controlled simply by changing the wetting properties of the channel wall. CFD simulations with contact angles ranging from 30 degrees to 150 degrees show that lower contact angles can induce droplet breakup while higher contact angles can form slugs with contact angle dependent shape. Crown Copyright (c) 2005 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

CFD simulations of hydrocyclones with an air core - Comparison between large eddy simulations and a second moment closure

CFD simulations of the 75 mm, hydrocyclone of Hsieh (1988) have been conducted using Fluent TM. The simulations used 3-dimensional body fitted grids. The simulations were two phase simulations where the air core was resolved using the mixture (Manninen et al., 1996) and VOF (Hirt and Nichols, 1981) models. Velocity predictions from large eddy simulations (LES), using the Smagorinsky-Lilly sub grid scale model (Smagorinsky, 1963; Lilly, 1966) and RANS simulations using the differential Reynolds stress turbulence model (Launder et al., 1975) were compared with Hsieh's experimental velocity data. The LES simulations gave very good agreement with Hsieh's data but required very fine grids to predict the velocities correctly in the bottom of the apex. The DRSM/RANS simulations under predicted tangential velocities, and there was little difference between the velocity predictions using the linear (Launder, 1989) and quadratic (Speziale et al., 1991) pressure strain models. Velocity predictions using the DRSM turbulence model and the linear pressure strain model could be improved by adjusting the pressure strain model constants.

CFD Modellierung einer partikelbelasteten Kühlmittelströmung im Sumpf und in der Kondensationskammer

Der Bericht beschreibt die Arbeiten zur CFD-Modellentwicklung zur Beschreibung des Fasertransportes in einer Wasserströmung, die im Unterauftrag der Hochschule Zittau/Görlitz erfolgten. Während die experimentellen Arbeiten zu dieser Thematik in Zittau durchgeführt wurden, lag der Schwerpunkt der theoretischen Arbeiten in Rossendorf. Im Arbeitspunkt EZ 1 des Projektantrages ist die Erweiterung der Einzeleffektuntersuchungen vorgesehen. Die entsprechenden Modellansätze zum Partikeltransport sind im Kapitel 3.1. beschrieben. Die Modellanpassung und Validierung ist in 3.2 und 3.3 dargestellt. Der Fasertransport in einer Wasserströmung wird durch Jet-Phänomene bestimmt. Untersuchungen dazu sind im EZ3.1 des Projektantrages: „3D-Phänomene infolge Blasenmitriss“ vorgesehen und die Modellansätze und der Vergleich zu Experimenten in den Kapiteln 4.1 bis 4.3 dargestellt. Des Weiteren wird der Einfluss auf den Ausgleich der Temperatur für den Fall untersucht, dass der Jet kälter als die Wasservorlage im Tank ist. Dieser Abschnitt entspricht damit der EZ3.2 des Antrages: „3D-Phänomene infolge Temperaturdifferenzen. Im Kapitel 4.4 wird auf die Strömungsvorgänge in der Zittauer Strömungswanne eingegangen und damit der Punkt EZ4 des Antrages: Integraluntersuchungen bearbeitet. Kapitel 5 beschreibt die Entwicklung eines Sieb-Modells, das die Faser-Kompaktierung berücksichtigt und auf der Darcy-Gleichung basiert. Die Modellparameter werden an Experimenten in Zittau justiert. Diese Experimente wurden für verschiedene Materialien durchgeführt und mit deren Hilfe ein Koeffizientenkatalog erstellt. Das Modell wurde in den CFD-Code CFX implementiert und anhand einiger Anwendungsbeispiele demonstriert.

CFD-Analyses on the behaviour of mineral wool in the reactor sump

The investigation of insulation debris generation, transport and sedimentation becomes important with regard to reactor safety research for PWR and BWR, when considering the long-term behaviour of emergency core cooling systems during all types of loss of coolant accidents. A joint research project on such questions is being performed in cooperation between the University of Applied Sciences Zittau/Görlitz and the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf. The project deals with the experimental investigation of particle transport phenomena in coolant flow and the development of CFD models for its description. While the experiments are performed at the University at Zittau/Görlitz, the theoretical modelling efforts are concentrated at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf. In the current presentation the basic concepts for CFD modelling are described and feasibility studies are presented. On the example of a complex flow situation at plunging jet conditions the model capabilities are demonstrated.

CFD analyses of fibre transport and fibre deposition at plunging jet conditions

The investigation of insulation debris generation, transport and sedimentation becomes important with regard to reactor safety research for PWR and BWR, when considering the long-term behaviour of emergency core cooling systems during all types of loss of coolant accidents. A joint research project on such questions is being performed in cooperation between the University of Applied Sciences Zittau/Görlitz (HSZG) and the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). The project deals with the experimental investigation of particle transport phenomena in coolant flow and the development of CFD models for its description (see [10-12]). While the experiments are performed at the University at Zittau/Görlitz, the theoretical modelling efforts are concentrated in Rossendorf. In the current paper, the basic concepts for CFD modelling are described and feasibility studies are presented. The model capabilities are demonstrated via complex flow situations, where a plunging jet agitates insulation debris. © Carl Hanser Verlag, München.