Dissertations / Theses on the topic 'In-cylinder models'

En las últimas décadas, la investigación en motores de combustión ha estado enfocada fundamentalmente en la reducción de las emisiones contaminantes y la eficiencia de los mismos. Estos hechos junto con un aumento de la concienciación sobre el cambio climático han llevado a un aumento en la importancia de la eficiencia térmica respecto a otros criterios en el diseño de motores de combustión interna (MCIA). Para alcanzar este objetivo, existen diferentes estrategias a aplicar. En concreto, la transferencia de calor a las paredes de la cámara de combustión puede ser considerada como una de las principales fuentes de disminución de la eficiencia indicada. En particular, en los modernos motores diésel de inyección directa, la emisión de radiación de las partículas de hollín puede constituir un componente importante de las pérdidas de eficiencia. En este contexto se enmarca el objetivo principal de la tesis: contribuir a la comprensión de la transferencia de calor por radiación en la combustión diésel de inyección directa junto con la mejora del conocimiento en el proceso de formación-oxidación de hollín. El trabajo se ha basado tanto en resultados experimentales mediante la aplicación de técnicas ópticas en diversas tipologías de motor como en resultados simulados a partir de modelos unidimensionales validados. En la primera parte de resultados experimentales, se ha evaluado la cantidad de energía por radiación respecto a la energía química del combustible mediante la aplicación de una sonda optoelectrónica (basada en la técnica del 2-Colores) tanto en un motor óptico DI como en motor poli-cilíndrico DI de producción. En este estudio se han obtenido valores de intensidad espectral emitida por el hollín y posteriormente, la radiación total emitida por las partículas de hollín en todo el espectro. Como se ha citado anteriormente, las partículas de hollín son las principales responsables de la transferencia de calor por radiación, además de uno de los principales agentes contaminantes emitidos por los motores diésel. Las emisiones de hollín son el resultado de dos procesos antagonistas: la formación y oxidación del hollín. Los mecanismos de formación de hollín se discuten extensamente en la literatura. Sin embargo, existen deficiencias en cuanto al conocimiento de la oxidación de hollín. Por lo tanto, el objetivo de esta sección ha sido evaluar el impacto del proceso de mezcla y la temperatura del gas sobre el proceso de oxidación de hollín durante la última parte de la combustión bajo condiciones reales de operación. Finalmente, y en base a los resultados y conocimientos adquiridos hasta el momento, se ha desarrollado un modelo capaz de predecir las pérdidas de calor por radiación para un chorro diésel. El modelo está basado en tres sub-modelos: modelo de chorro, el cual analiza y caracteriza la estructura interna del chorro en términos de mezcla y combustión en un proceso de inyección con resolución temporal y espacial. Un modelo de hollín, en el que los resultados se justifican en función de procesos de formación y oxidación del hollín. La cohesión de estos dos sub-modelos se utiliza para obtener los valores de entrada al modelo de radiación, con el que se obtiene los valores de transferencia de calor por radiación para una llama diésel.
En els últims anys, la recerca en motors de combustió ha estat focalitzada principalment en la reducció de les emissions contaminants i la millora de la eficiència. Aquests fets afegits al fet del augment de la conscienciació del canvi climàtic han impulsat el interés per incrementar la eficiència tèrmica per damunt de altres criteris en el disseny de motors de combustió interna alternatius (MCIA). Per aconseguir aquest objectiu, existixen diferents estratègies a aplicar. Concretament, la transferència de calor a les parets de la càmera de combustió pot ser considerada un dels principals focs de reducció de eficiència indicada. En particular, en els moderns motors dièsel de injecció directa, la emissió de radiació de les partícules de sutja pot constituir un component important de les pèrdues de eficiència. En aquest context s'emmarca el objectiu principal de la tesis: contribuir a la comprensió de la transferència de calor per radiació en la combustió dièsel de injecció directa i la millora del coneixement del procés de formació-oxidació de la sutja. El treball esta basat tant en resultats experimentals mediant l'aplicació de tècniques òptiques en diverses tipologies de motor com en resultants simulats a partir de models unidimensionals validats. En la primera part dels resultats experimentals, s'ha avaluat la quantitat de energia per radiació respecte a la energia química del combustible mediant la aplicació de una sonda optoelectrònica (basada en la tècnica del 2-Colors) tant en un motor òptic DI com en un motor poli-cilíndric DI de producció en serie. En aquest estudi s'han obtingut valors de intensitat espectral emesa per la sutja i posteriorment, la radiació total emesa per les partícules de sutja en tot el espectre. Com s'ha citat amb anterioritat, les partícules de sutja son les principals responsables de la transferència de calor per radiació, a més de un del principals agents contaminants emès per els motors dièsel. Les emissions de sutja son el resultat de dos processos antagonistes: la formació i la oxidació de sutja. Els mecanismes de formació de sutja es discuteixen àmpliament en la literatura. No obstant això, existeixen deficiències pel que fa al coneixement de l'oxidació de sutja. Per tant, l'objectiu d'aquesta secció ha sigut avaluar l'impacte del procés de mescla i la temperatura del gas sobre el procés d'oxidació de sutja durant l'última part de la combustió sota condicions reals d'operació. Finalment, i en base als resultats i coneixements adquirits fins aquest moment, s'ha desenvolupat un model que permet predir les perdudes de calor però radiació per a un raig dièsel. El model esta basat en tres sub-models: model de raig, el qual analitza i caracteritza la estructura interna del raig en termes de mescla i combustió en un procés de injecció amb resolució temporal i espacial. Un model de sutja, en el qual els resultats es justifiquen en funció del procés de formació i oxidació de la sutja. La cohesió d'aquests dos sub-models s'utilitza per obtindre els valors d'entrada al model de radiació, amb el que s'obté els valors de transferència de calor per radiació per a una flama dièsel.
In the last two decades engine research has been mainly focused on reducing pollutant emissions and increasing efficiency. These facts together with growing awareness about the impacts of climate change are leading to an increase in the importance of thermal efficiency over other criteria in the design of internal combustion engines (ICE). To achieve the objective, there are different strategies to apply. The heat transfer to the combustion chamber walls can be considered as one of the main sources of indicated efficiency diminution. In particular, in modern direct-injection diesel engines, the radiation emission from soot particles can constitute a significant component of the efficiency losses. In this context, the main objective of the thesis is framed: to contribute to the understanding of the radiation heat transfer in DI diesel combustion together with the improvement of the knowledge in the soot formation-oxidation processes. The work has been based on experimental results through the optical technique application in different types of engine and on simulated results from validated one-dimensional models. In the first part of experimental results, the amount of energy lost to soot radiation relative to the input fuel chemical energy has been evaluated by means of the optoelectronic probe application (based on the 2-Color technique) in both an optical engine DI and a production 4-cylinder DI engine. In this study, the values of soot spectral intensity emitted have been obtained and later, the total radiation emitted by the soot particles in the whole spectrum. As mentioned above, soot particles are the main responsible for the radiation heat transfer, in addition to one of the important concern in meeting emissions regulations. Soot emissions are the result of two competing processes: soot formation and soot oxidation. Mechanisms of soot formation are discussed extensively in the literature. However, there are deficiencies in the knowledge of soot oxidation. Therefore, the objective of this section has been to evaluate the impact of mixing process and bulk gas temperature on late-cycle soot oxidation process under real operating conditions. Finally, based on the results and knowledge acquired, a model able to predict heat losses by radiation for a spray diesel has been developed. The model is based on three sub-models: spray model, which analyzes and characterizes the internal spray structure in terms of mixing and combustion process with temporal and spatial resolution. A soot model, in which the results have been justified according to soot formation and oxidation processes. The link of these two sub-models has been used to obtain the input values to the radiation model, which the radiation heat transfer values for a diesel flame are obtained.
Villalta Lara, D. (2018). RADIATION HEAT TRANSFER IN DIRECT-INJECTION DIESEL ENGINES [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/114793
TESIS

Overall losses in swash plate type axial piston machines are mainly defined by three tribological interfaces. These are swash plate/slipper, piston/cylinder and cylinder block/valve plate. Within a research project, funded by the German Research Foundation, a combined approach of experimental research and simulation is chosen to acquire further knowledge on the cylinder block/valve plate contact. The experimental investigations focus on the friction torque within the contact and the measurement of the cylinder block movement in all six degrees of freedom. Simultaneously a simulation model is created focusing on the main physical effects. By considering the results of the experimental investigations significant physical effects for the simulation model are assessed. Within this paper a first comparison between experimental results and the simulation is presented, showing that for a qualitative match the implemented effects (mainly the fluid film, solid body movement, solid body contact, surface deformation) are sufficient to model the general behaviour of theinvestigated pump.

[ES] Con el aumento de la demanda de soluciones más amigables con el medio ambiente en la industria de la automoción, el motor de combustión interna alternativo (MCIA) enfrenta actualmente grandes desafíos para minimizar su consumo de recursos no renovables y especialmente, para reducir sus emisiones contaminantes. Debido a que el aporte de los MCIAs es fundamental para cubrir las necesidades de movilidad y de generación de energía alrededor de todo el mundo, y el hecho de que diferentes alternativas, como los motores eléctricos e hibrido, están y continuaran enfrentado múltiples obstáculos para su implementación masiva en el futuro cercano, la investigación continua en MCIA es fundamental para cumplir con los propósitos de reducción de emisiones. En este aspecto, una aproximación para el aumento de la eficiencia del motor y la reducción del consumo de combustible es mediante la implementación de alternativas dirigidas a reducir las pérdidas mecánicas por fricción. Estas alternativas tribológicas incluyen aquellas que requieren modificaciones en los componentes del motor, como materiales y acabados superficiales, y el uso de formulaciones de aceite lubricante de menor viscosidad o aditivos que mejoren las condiciones de lubricación del motor. Con la contante evolución y mejoras en el MCIA y las condiciones de trabajo cada vez más severas, también surgen nuevas alternativas tribológicas para enfrentar los nuevos desafíos del motor, y por tanto se requiere de investigaciones adicionales en este tema. Durante el desarrollo de esta Tesis, uno de los objetivos consistió en contribuir a la investigación del uso de aceites de baja viscosidad para el ahorro de combustible como un efecto conjunto con las condiciones de conducción del vehículo. Para llevar a cabo este objetivo, se desarrollaron ensayos experimentales bajo condiciones estacionarias en un banco de motor con formulaciones de aceite de diferente viscosidad HTHS, algunas de ellos con aditivo modificador de fricción para expandir el rango de reducción de fricción a condiciones de lubricación más severas. Los mapas de consumo de combustible resultantes de estos ensayos fueron utilizados en un modelo de simulación del vehículo para estimar su consumo de combustible como función del aceite y las condiciones de trabajo de tres ciclos de conducción. Con el objetivo de expandir los conocimientos en los fundamentos de lubricación de los MCIAs y tener la capacidad de evaluar otras alternativas para reducir las pérdidas por fricción, se consideró necesario enfocar la investigación en el conjunto pistón-camisa, que es el par tribológico con mayor aporte a las perdidas por fricción. Para conseguir este objetivo, durante esta Tesis se desarrolló una maqueta específica para el ensamble pistón-camisa, y un modelo teórico para simular la lubricación del segmento de compresión. Para la primera parte, la maqueta se desarrolló basada en el método de camisa flotante, en el cual la camisa fue aislada del resto del motor y la fuerza de fricción generada en la interfaz pistón-camisa pudo ser medida mediante sensores de fuerza. En esta instalación se desarrollaron diferentes ensayos los cuales permitieron llevar a cabo un análisis exhaustivo de los fundamentos de lubricación de este par tribológico como función de diferentes parámetros que tiene impacto en las condiciones de lubricación. Este estudio se complementó con el desarrollo de un modelo de lubricación para el segmento de compresión basado en el método de diferencias finitas. Finalmente, se llevó a cabo una comparativa de resultados experimentales y teóricos para el segmento de compresión, lo cual permitió validar los ensayos experimentales en la maqueta de camisa flotante, así como el modelo de simulación desde el punto de vista de datos de entrada, condiciones de contorno y supuestos.
[CA] Amb l'augment de la demanda de solucions més amigables amb el medi ambient en la indústria de l'automoció, el motor de combustió interna alternatiu (MCIA) s'enfronta actualment a grans desafiaments per minimitzar el seu consum de recursos no renovables i especialment, per reduir les seves emissions contaminants . Tenint en compte que l'aportació dels MCIA és fonamental per a cobrir les necessitats de mobilitat i generació d'energia arreu de tot el món, i el fet que diferents alternatives, com els motors elèctrics i híbrids, estan i continuaran enfrontat múltiples obstacles per a la seva implementació massiva al proper futur, la investigació contínua en MCIA és fonamental per complir amb els propòsits de reducció d'emissions. En aquest aspecte, una aproximació per a l'augment de l'eficiència del motor i la reducció de consum de combustible és mitjançant la implementació d'alternatives dirigides a reduir les pèrdues mecàniques per fricció. Aquestes alternatives tribològiques inclouen aquelles que requereixen modificacions de components del motor, com materials i acabats superficials, i l'ús de formulacions d'oli lubricant de menor viscositat o additius que milloren les condicions de lubricació del motor. Amb la constant evolució i millores en el MCIA i les condicions de treball cada vegada més severes, també sorgeixen noves alternatives tribològiques per enfrontar els nous desafiaments del motor, i per tant es requereix d'investigacions addicionals en aquest tema. Durant el desenvolupament d'aquesta Tesi, un dels objectius va consistir a contribuir a la investigació de l'ús d'olis de baixa viscositat per a l'estalvi de combustible com un efecte conjunt amb les condicions de conducció de vehicle. Per dur a terme aquest objectiu, es van desenvolupar assajos experimentals sota condicions estacionàries en un banc de motor amb formulacions d'oli de diferent viscositat HTHS, algunes d'elles amb additiu modificador de fricció per expandir el rang de reducció de fricció a condicions de lubricació més severes . Els mapes de consum de combustible resultants d'aquests assajos van ser utilitzats en un model de simulació del vehicle per estimar el seu consum de combustible com a funció de l'oli i les condicions de treball de tres cicles de conducció. Amb l'objectiu d'expandir els coneixements en els fonaments de lubricació dels MCIAs i tenir la capacitat d'avaluar altres alternatives per reduir les pèrdues per fricció, es va considerar necessari enfocar la recerca al conjunt pistó-camisa, que és el parell tribològic amb major aportació a les perdudes per fricció. Per aconseguir aquest objectiu, durant aquesta Tesi es va desenvolupar una maqueta específica per al acoblament pistó-camisa, i un model teòric per simular la lubricació del segment de compressió. Per a la primera part, la maqueta es va desenvolupar basada en el mètode de camisa flotant, en el qual la camisa va ser aïllada de la resta del motor i la força de fricció generada en la interfície pistó-camisa va poder ser mesurada mitjançant sensors de força. En aquesta instal·lació es van desenvolupar diferents assajos els quals van permetre dur a terme una anàlisi exhaustiva dels fonaments de lubricació d'aquest parell tribològic com a funció de diferents paràmetres que tenen impacte en les condicions de lubricació. Aquest estudi es va complementar amb el desenvolupament d'un model de lubricació per al segment de compressió basat en el mètode de diferències finites. Finalment, es va dur a terme una comparativa de resultats experimentals i teòrics per al segment de compressió, la qual cosa va permetre validar els assajos experimentals a la maqueta de camisa flotant, així com el model de simulació des del punt de vista de dades d'entrada, condicions de contorn i hipòtesis.
[EN] With the increasing demand for greener solutions in the automotive industry, the ICE is currently facing great challenges to minimize the consumption of nonrenewable resources and specially to reduce its harmful emissions. Given that the contribution of the ICE is fundamental to cover the actual mobility and power generation needs worldwide, and the fact that different power-train alternatives, such as electric and hybrid vehicles, are and will continue facing multiple obstacles for their large-scale implementation in the near future, the continuous research on the ICE is fundamental in order to meet the emissions reduction targets. In this regard, one approach to increase the engine efficiency and reduce the fuel consumption, is through the implementation of alternatives aimed to reduce the friction mechanical losses. These tribological alternatives include those that require modifications to the engine components, such as materials and surface finishes, and the use of lubricant oil formulation of lower viscosity or additives that improve the lubrication performance of the engine. With the ongoing evolution and improvement of the ICE and the increasingly severe working conditions, new tribological solutions also emerge to face the new challenges in the ICE, and therefore further research is required on this subject. During the development of this Thesis, one of the objectives was to contribute to the research on low viscosity engine oils for fuel economy as a joint effect with the driving conditions of the vehicle. To accomplish this, experimental tests were performed under stationary conditions in an engine bench test for oil formulations of different HTHS viscosity, some of them with friction modifier additive to expand the friction reduction effect to more severe lubrication conditions. The resultant fuel consumption maps were then employed in a vehicle model to estimate the fuel consumption of the vehicle as function of the oil formulation and the working conditions of the three driving cycles. With the aim of expanding the knowledge on the lubrication fundamentals of the engine and to have the capability to assess other alternatives to further reduce the friction mechanical losses, it was deemed necessary to focus the research on the piston-cylinder liner assembly, the tribo-pair of major friction share. In order to achieve this objective, a test rig was developed in this Thesis specific for the piston-liner assembly, and a theoretical model to estimate the lubrication of the piston compression ring. For the first part, the test rig was designed based on the floating liner method, where the cylinder liner was isolated from the rest of the engine and the friction force generated in the piston-liner conjunction could be measured by means of force sensors. Different tests were developed in this test rig which allowed a comprehensive analysis of the piston lubrication fundamentals as function of different parameters having an impact on the lubrication performance of this assembly. This study was complemented with the development of a piston compression ring lubrication model based on the finite differences method. A comparison of experimental and theoretical results was performed for the piston compression ring that helped to validate both the experimental tests in the floating liner and the simulation model from the point of view of input data, boundary conditions and assumptions.
Bastidas Moncayo, KS. (2021). Experimental and analytical study of the mechanical friction losses in the piston-cylinder liner tribological pair in internal combustion engines (ICE) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172188
TESIS

Diploma thesis is focused on the description of the parameters of nonlinear material models of concrete, which are implemented in a computational system LS-DYNA, interacting with performance of nonlinear test calculations in system LS-DYNA on selected problems, which are formed mainly by simulations of tests of mechanical and physical properties of concrete in uniaxial compressive and tensile on cylinders with applying different boundary conditions and by simulation of bending slab, with subsequent comparison of some results of test calculations with results of the experiment. The thesis includes creation of appropriate geometric models of selected problems, meshing of these geometric models, description of parameters and application of nonlinear material models of concrete on selected problems, application of loads and boundary conditions on selected problems and performance of nonlinear calculations in a computational system LS-DYNA. Evaluation of results is made on the basis of stress-strain diagrams and load-displacement diagrams based on nonlinear calculations taking into account strain rate effects and on the basis of hysteresis curves based on nonlinear calculations in case of application of cyclic loading on selected problems. Verification of nonlinear material models of concrete is made on the basis of comparison of some results of test calculations with results obtained from the experiment.

Doctoral thesis deals with combustion engine cranktrain vibrations and vibration analysis methods. The work applies new computational models aimed at powertrain vibration decrease. The computational models can be used in the first stages of powertrain development. Temperature dependences of the rubber shear modulus and loss factor characteristic are found by response analysis of the free damped vibrations in the first part of the thesis. Viscoelastic model parameters of two dampers with different rubber hardness are calculated using optimization methods. Temperature distribution inside the rubber part during the harmonic oscillation is calculated with the knowledge of previous values. Computational models together with a user interface are assembled in Matlab/Simulink software tool. Computational model results of the viscoelastic rubber damper are verified by measurements on a prototype diesel engine in the whole operating engine speed range. Torsional vibrations of the crankshaft with torsional damper are measured by POLYTEC laser rotational tools. The temperature distribution on the damper surface is obtained by Infratec VarioCAM thermographic system. Combustion pressures in the cylinder are measured by SMETEC Combi indication tools. Both the temperature distributions and combustion pressures are used for computational purposes. All the measurement procedures are described also in the thesis.

Ce travail est une contribution à la simulation numérique d'écoulements turbulents autour de corps non profilés. Après avoir précisé les ingrédients numériques et les modèles de turbulence utilisés dans nos simulations, nous présentons une étude sur l'évaluation des effets de la procédure dynamique des modèles de sous-maille dans un modèle VMS-LES et une approche hybride RANS/VMS-LES. Des problèmes d'écoulements autour d'un cylindre seul et en tandem sont considérés. Nous étudions ensuite le comportement de modèles de turbulence hybrides pour la simulation d'écoulements en régime sous-critique autour d'un cylindre circulaire. Le calcul de l'écoulement autour d'un cylindre de section rectangulaire par l'approche VMS-LES est aussi présenté. Enfin, dans une dernière partie, après avoir fait une revue des travaux importants sur les schémas d'avancement en temps multirate, nous proposons une nouvelle approche explicite multirate par agglomération de volumes finis que nous appliquons à des calculs d'écoulements turbulents complexes en utilisant un modèle de turbulence hybride
This work is a contribution to the numerical simulation of turbulent flows around bluff bodies. After specifying the numerical ingredients and the turbulence models used in our simulations, we present a study on the impact of the dynamic sub-grid scale modeling in VMS-LES model and a RANS/VMS-LES hybrid turbulence approach. Simulations of flows around a cylinder and a tandem are performed. Next, we assess the behaviour of some hybrid turbulence models for the simulation of flows around a circular cylinder in the subcritical regime. The computation of the flow around a rectangular cylinder with the VMS-LES approach is also presented. At last, after a review of some important works on multirate time advancing schemes, we propose a new volume-agglomeration explicit multirate approach that is applied to the computation of complex turbulent flows by a hybrid turbulence model

In-cylinder fuel-air mixing in a compressed natural gas (CNG)-fuelled, single-cylinder, spark-ignited engine is analysed using a transient three-dimensional computational fluid dynamic model built and run using STAR-CD, a commercial CFD software. This work is motivated by the need for strategies to achieve improved performance in engines utilizing gaseous fuels such as CNG. The transient in-cylinder fuel-air mixing is evaluated for a port gas injection fuelling system and compared with that of conventional gas carburetor system. In this work pure methane is used as gaseous fuel for all the computational studies. It is observed that compared to the premixed gas carburetor system, a substantial level of in-cylinder stratification can be achieved with the port gas injection system. The difference of more than 20% in mass fraction between the rich and lean zones in the combustion chamber is observed for the port gas injection system compared to less than 1% for the conventional premixed system. The phenomenon of stratification observed is very close to the “barrel stratification” mode. A detailed parametric study is undertaken to understand the effect of various injection parameters such as injection location, injection orientation, start of injection, duration of injection and rate of injection. Furthermore, the optimum injection timing is evaluated for various load-speed conditions of the engine. It is also observed that the level of stratification is highest at 50% engine load with a reduced level at 100% load. For low engine loads, the level of stratification is observed to be very low. To analyse the effect of stratification on engine performance, the in-cylinder combustion is modeled using the extended coherent flame model(ECFM). For simulating the ignition process, the arc and kernel tracking ignition model(AKTIM) is used. The combustion model is first validated with measured in-cylinder pressure data and other derived quantities such as heat release rate and mass burn fraction. It is observed that there is a good agreement between measured and simulated values. Subsequently, this model is use to simulate both premixed and stratified cases. It is observed that there is a marginal improvement in terms of overall engine efficiency when the stoichiometric premixed case is compared with the lean stratified condition. However, a major improvement in performance is observed when the lean stratified case is compared with lean premixed condition. The stratified case shows a faster heat release rate which could potentially translate to lower cycle-to-cycle variations in actual engine operation. Also, the stratified cases show as much as 20% lower in-cylinder NOx emissions when compared with the conventional premixed case at the same engine load and speed, underscoring the potential of in-cylinder stratification to achieve improved performance and lower NOx emissions.

Swirling flows abound in nature and numerous engineering applications. Under conditions which are not completely understood, the swirling cores could undergo a sudden enlargement of their vortex core, leading to a ’vortex breakdown’. The physics of vortex breakdown and strategies to control it have been active areas of research for nearly half a century. There are many competing theories of vortex breakdown in the literature; broadly, these are surmised on similarities to flow separation, hydrodynamic instability or transition from a supercritical to a subcritical state. However, a rational criterion for vortex breakdown continues to be elusive. One of the most well known criteria in the literature is the one due to Brown and Lopez (1990) based on an inviscid vortex dynamics model which suggests that the helix angle of the velocity vector should enclose the helix angle of the vorticity vector. However it appears that this only suggests that the stream surface would diverge and not necessarily constitute a condition for breakdown. In this work, we propose a new criterion based on helicity (scalar product of velocity and vorticity vectors) for characterizing breakdown since it has fundamental topological interpretations relating to change in linkages of vortex lines. In particular, it is suggested that the breakdown location corresponds to the location where helicity becomes zero. We study the problem of vortex breakdown in a cylindrical container with a rotating top lid in order to clarify and elucidate our hypothesis. We present results from Direct Numerical Simulation of this problem for three different Reynolds numbers and evaluate the utility of our proposed helicity criterion. Our studies indicate that helicity is indeed a better choice for characterizing vortex breakdown.

Partially Averaged Navier-Stokes (PANS) turbulence method provides a closuremodel for any degree of velocity field altering - ranging from completely resolved Di-rect Numerical Simulation (DNS) to completely averaged Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) method. Preliminary investigations of PANS show promising re-sults but there still exist computational and physical issues that must be addressed.This study investigates the performance of the PANS method for ow past acylinder at a Reynolds number of 140,000. The cylinder ow is a benchmark owproblem for which there are signicant experimental results available for validation ofPANS. First, we examine if RANS convergence criteria and discretization schemes -which are meant for robust, nearly steady-state calculations - are adequate for PANS,which is inherently unsteady and may contain delicate ow features. For the range offk values tested here, it is determined that the standard RANS residual value and the2nd order spatial discretization scheme are appropriate for PANS. The physical clo-sure investigations begin with the validation of turbulent transport models: the ZeroTransport Model, the Maximum Transport Model and the Boundary Layer Trans-port Model. The implementation of the PANS ku-ey!u model is also performed andcompared against the standard PANS ku-ey model. All these studies yield interest-ing insights into the PANS models. This study concludes with an investigation of alow Reynolds number correction for the PANS ku-wu!u model which yields excellent improvement.

[EN] Current challenges in research and development of powertrains demand new computational tools capable of simulating vehicle operation under very diverse conditions. This is due, among other reasons, to new homologation standards in the automotive sector requiring compliance of exhaust emissions regulations under any possible driving condition on the road. Global engine or vehicle models provide many advantages to engineers because they allow to reproduce the entire system under study, considering the physical processes that take place in different components and the interactions among them. This thesis aims to enable the modeling of heat transfer processes in a complete engine simulation tool developed at CMT-Motores Térmicos research institute. This 0D/1D simulation tool is called Virtual Engine Model (VEMOD). The development of heat transfer models comprises the engine block and the ancillary systems. The model of heat transfer in the engine block deals with the central problem of in-cylinder convection by means of a combination of experimental research, CFD simulation and multizone 0D modeling. The other thermal processes present in the engine block are examined in order to implement suitable submodels. Once the model is complete, it undergoes a validation with experimental transient tests. Afterwards, the ancillary systems for engine thermal management are brought into focus. These systems are considered by means of two new models: a model of heat exchangers and a model of thermo-hydraulic circuits. The development of those models is reported in detail. Lastly, with the referred thermal models integrated in the global simulation tool, a validation study is undertaken. The goal is to validate the ability of the Virtual Engine Model to capture the thermal response of a real engine under various operating conditions. To achieve that, an experimental campaign combining tests under steady-state operation, under transient operation and at different temperatures is conducted in parallel to the corresponding simulation campaign. The capacity of the global engine simulations to replicate the measured thermal evolution is finally demonstrated.
[ES] Los retos actuales en la investigación y desarrollo de trenes de potencia demandan nuevas herramientas computacionales capaces de simular el funcionamento de un vehículo en condiciones muy diversas. Esto se debe, entre otras razones, a que los nuevos estándares de homologación en el sector de la automoción obligan al cumplimiento de las regulaciones de emisiones en cualquier condición posible de conducción en carretera. Los modelos globales de motor o de vehículo proporcionan muchas ventajas a los ingenieros porque permiten reproducir el sistema entero a estudiar, considerando los procesos físicos que tienen lugar en los distintos componentes y las interacciones entre ellos. Esta tesis pretende hacer posible el modelado de los procesos de transmisión de calor en una completa herramienta de simulación de motor desarrollada en el instituto de investigación CMT-Motores Térmicos. Esta herramienta de simulación 0D/1D se denomina Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desarrollo de modelos de transmisión de calor comprende el bloque motor y los sistemas auxiliares. El modelo de transmisión de calor en el bloque motor aborda el problema central de la convección en el interior del cilindro mediante una combinación de investigación experimental, simulación CFD y modelado 0D multizona. El resto de procesos térmicos presentes en el bloque motor son examinados para poder implementar submodelos adecuados. Una vez el modelo está terminado, se realiza una validación con ensayos experimentales en régimen transitorio. A continuación, el foco de atención pasa a los sistemas auxiliares de gestión térmica. Estos sistemas se toman en consideración por medio de dos nuevos modelos: un modelo de intercambiadores de calor y un modelo de circuitos termohidráulicos. El desarrollo de los modelos se explica en detalle en esta tesis. Por último, con los citados modelos integrados en el Motor Virtual, se lleva a cabo un estudio de validación. El objectivo es validar la capacidad del Motor Virtual para reproducir la respuesta térmica de un motor real en varias condiciones de funcionamento. Para conseguirlo, se realiza una campaña experimental que combina ensayos en régimen estacionario, en régimen transitorio y a diferentes temperaturas, en paralelo a la campaña de simulación correspondiente. La capacidad de las simulaciones globales de motor para replicar la evolución térmica medida experimentalmente queda finalmente demostrada.
[CA] Els reptes actuals en la recerca i el desenvolupament de trens de potència demanden noves eines computacionals capaces de simular el funcionament d'un vehicle en condicions molt diverses. Açò es deu, entre altres raons, a que els nous estàndards d'homologació al sector de l'automoció obliguen al compliment de les regulacions d'emissions en qualsevol condició possible de conducció en carretera. Els models globals de motor o de vehicle proporcionen molts avantatges als enginyers perquè permeten reproduir el sistema sencer a estudiar, considerant els processos físics que tenen lloc als distints components i les interaccions entre ells. Aquesta tesi pretén fer possible el modelat dels processos de transmissió de calor en una completa eina de simulació de motor desenvolupada a l'institut de recerca CMT-Motores Térmicos. Aquesta eina de simulació 0D/1D s'anomena Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desenvolupament de models de transmissió de calor comprén el bloc motor i els sistemes auxiliars. El model de transmissió de calor al bloc motor aborda el problema central de la convecció a l'interior del cilindre mitjançant una combinació de recerca experimental, simulació CFD i modelat 0D multizona. La resta de processos tèrmics presents al bloc motor són examinats per a poder implementar submodels adequats. Una vegada el model està acabat, es fa una validació amb assajos experimentals en règim transitori. A continuació, el focus d'atenció passa als sistemes auxiliars de gestió tèrmica. Aquests sistemes es prenen en consideració per mitjà de dos nous models: un model d'intercanviadors de calor i un model de circuits termohidràulics. El desenvolupament dels models s'explica en detall en aquesta tesi. Per últim, amb els referits models integrats al Motor Virtual, es porta a terme un estudi de validació. L'objectiu és validar la capacitat del Motor Virtual per a reproduir la resposta tèrmica d'un motor real en diverses condicions de funcionament. Per a assolir-ho, es realitza una campanya experimental que combina assajos en règim estacionari, en règim transitori i a diferents temperatures, en paral·lel a la campanya de simulació corresponent. La capacitat de les simulacions globals de motor per a replicar l'evolució tèrmica observada experimentalment queda finalment demostrada.
European funds received in the framework of Horizon 2020’s DiePeR project have contributed to the validation and improvement of the Virtual Engine Model. My own dedication has been funded by Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract FPI-S2-2016-1357 of “Programa de Apoyo para la Investigaci´on y Desarrollo (PAID-01-16)”.
Salvador Iborra, J. (2020). A contribution to the global modeling of heat transfer processes in Diesel engines [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149575
TESIS

碩士
國立高雄師範大學
物理學系
102
In this study, the Jaffery’s Orbital theory has been evaluated vie using the direct simulation software codes that contain the Lattice Boltzmann Method(LBM) for fluid, the new developed Generalized Lattice Spring Model (GLSM) for solid, and immersed boundary-lattice Boltzmann method for the solid-fluid interaction. The results show that the direct simulation methods for single ellipsoid moving in shear flow are match with the theoretical results quit well. In addition, the single cylinder under the shear flow should experience the same periodical movement, according to the Jeffery’s theory, has also been studied and the results are compared with theoretical and experiment results. The equivalent (effective) aspect ratio of cylinder is obtained by comparing the simulated rotation period of cylinder with the theory calculation of ellipsoid under the same condition. The results show that this method is reliable and effective and could be used for newly fluid dynamic simulations. However, there are still limitations in this method such as the shear flow velocity is limited and the number of lattice nodes used for solid will affect the accuracy of simulation.