Estudi numèric del flux dins de la tovera d'un motor coet

S'estudiarà el flux dins la tovera d'un motor coet emprant dos programaris de Dinàmica de Fluids Computacional: OpenFOAM i Gambit/Fluent. OpenFOAM és un programari de simulació de fluids lliure i de codi obert. En la comparativa, es desitja avaluar un mateix cas amb els dos programes i comparar el temps utilitzat, la dificultat d'aprenentatge, la flexibilitat dels programes i la possibilitat d'expandir els coneixements un cop s'ha assolit un nivell bàsic en el funcionament en cadascun dels codis. El cas a estudiar és l'expansió dels gasos provinents d'una cambra de combustió a química congelada, és a dir, fent la hipòtesi que no hi ha més reaccions químiques un cop les molècules entren a la tovera. S'estudiarà també la possibilitat d'introduir la hipòtesi d'equilibri químic al llarg de l'expansió i finalment s'estudiaran els resultats considerant que les reaccions queden congelades a partir de l'àrea de gola. Tots els resultats es podran comparar amb els programa Chemical Equilibrium with Aplications que la NASA ofereix gratuïtament a la comunitat científica

Estudi del comportament d'endoreactors hibrids per simulació numèrica

Les cambres de combustió per a endoreactors de tipus híbrid presenten un front de flama molt estable, una estabilitat que garanteix una seguretat intrínseca en el funcionament d'aquest tipus de motor coet, però que al mateix temps impedeix l'obtenció de prestacions competitives respecte als endoreactors sòlids i líquids utilitzats tradicionalment. En aquest TFC s'ha estudiat el disseny de geometries de la cambra de combustió que permetin augmentar l'eficiència de la combustió i la velocitat de regressió del gra de combustible sòlid. S'ha emprat el software de mallat Gambit i del de dinàmica de fluids computacional Fluent amb els qual s'han dissenyat les diferents geometries de cambra de combustió, i el posterior comportament fluidodinàmic. S'ha introduit a Fluent la cinètica de les reaccions químiques que permet simular la reacció entre un oxidant i un comburent el més proper possible als que s'utilitzen en l'actualitat

Simulació CFD d’una etapa de compressió d’un motor a reacció

L'objectiu es el de modelar una etapa de compressio d'un compressor axial de turbina de gas per us propulsiu aeronautic. Es partira d'un disseny existent (simplificant la geometria en la mesura del que sigui possible) i es simulara el seu funcionament amb un codi comercial CFD. Es decidira sobre la marxa quina fisica cal modelar correctament i quina pot quedar fora de la simulacio. Tot seguit, s'ampliaran les simulacions a diferents regims de funcionament amb l'objectiu de tracar el mapa compressor. Finalment es modelara a partir dels resultats numerics la relacio entre els diferents parametres classics que intervenen en la descripcio del funcionament d'un compressor (velocitat de rotacio angular, rati de pressio, rati de temperatura, eficiencia...). El model final ha de ser compatible amb models d'altres components del motor, de cara a integrar-los tots plegats en un codi de simulacio de turbina de gas. D'aqui l'interes a coordinar els projectes corresponents a la modelitzacio de diferents components del motor

Disseny i anàlisi comparatiu d’un doble difusor respecte un difusor convencional de Formula1

Un difusor d’un monoplaça de Formula 1 és un dispositiu aerodinàmic que genera molta adherència a l’asfalt a canvi de molt poca pèrdua de velocitat degut a la fricció amb l’aire. Esdevé així un dispositiu aerodinàmic fonamental per a qualsevol vehicle de competició. Un doble difusor és un dispositiu més avançat tècnicament respecte del difusor, atorgant així encara una major adherència a l’asfalt respecte el difusor convencional. Aquest treball té com a finalitat principal posar de manifest si la superioritat del doble difusor respecte el convencional és real i exposar-ne els seus avantatges i inconvenients a través d’un anàlisi comparatiu. En l’anàlisi comparatiu s’empraran dades extretes de les simulacions d’ambdós dispositius aerodinàmics fetes a partir de programari que aplica la dinàmica de fluids computacional (CFD). El treball és útil tant per aprendre com utilitzar bé el programari vinculat com per comprendre els fenòmens fluidodinàmics que fan que el dispositiu difusor treballi de la manera que ho fa en la realitat. Això és d’aquesta manera ja que prèviament a analitzar i fer l’anàlisi comparatiu d’ambdós dispositius ja esmentats, es realitzarà una recerca d’aquell perfil de difusor el més òptim possible a través dels mètodes de CFD. Dit perfil servirà en acabat com a punt de partida per obtenir dos models tridimensionals de difusor amb les característiques esmentades i poder establir entre ells una comparació adient. Per finalitzar s’exposaran els avantatges e inconvenients d’haver utilitzat la dinàmica de fluids computacional (CFD) per a l’elaboració del projecte en clau de termes econòmics i ambientals

Patient-specific numerical simulation of blood flow in pulmonary arteries with in-vivo validation

La comprensió i visualització detallada de la dinàmica de fluids al sistema cardiovascular és una àrea de recerca molt activa en biomedicina. Se sap que el flux sanguini juga un paper clau en el funcionament correcte del sistema cardiovascular i en la progressió de les patologies que l'afecten, per aquesta raó, la dinàmica de fluids computacional i les seves simulacions han anat cobrant importància en el camp de la Medicina Cardiovascular . Atesa la limitació dels mètodes d'imatge actuals, la dinàmica de fluids computacional ha esdevingut una eina poderosa per produir informació detallada i específica de cada pacient. En aquest treball final de grau, les dades específiques d'un pacient, obtingudes mitjançant una ressonància magnètica, han estat utilitzades per crear un model tridimensional, que s'ha utilitzat per dur a terme una simulació computacional del flux sanguini a l'artèria pulmonar, mitjançant l'ús del programari lliure SimVascular. Els principals resultats aconseguits, com el cabal volumètric durant el cicle cardíac o la distribució de velocitats, han estat analitzats i comparats (gràficament i numèricament) amb les dades in vivo del pacient, de manera que, observant la correlació entre tots dos, s'han pogut validar els resultats.La comprensión y visualización detallada de la dinámica de fluidos en el sistema cardiovascular es un área de investigación muy activa en biomedicina. Se sabe que el flujo sanguíneo juega un papel clave en el correcto funcionamiento del sistema cardiovascular y en la progresión de las patologías que le afectan, por esta razón, las simulaciones computacionales de dinámica de fluidos han ido cobrando importancia en el campo de la Medicina Cardiovascular. Dada la limitación de los métodos de imagen actuales, la dinámica de fluidos computacional se ha convertido en una herramienta poderosa para producir información detallada y específica de cada paciente en particular. En este trabajo final de grado, los datos específicos de un paciente, obtenidos mediante una resonancia magnética, han sido utilizados para crear un modelo tridimensional, que se han utilizado para llevar a cabo una simulación computacional del flujo sanguíneo en la arteria pulmonar, mediante el uso del software libre SimVascular. Los principales resultados obtenidos, como el caudal volumétrico durante el ciclo cardiaco o la distribución de velocidades, han sido analizados y comparados (gráfica y numéricamente) con los datos in vivo del paciente, de forma que, observando la correlación entre ambos, se han podido validar los resultadosUnderstanding and detailed visualization of fluid dynamics in the cardiovascular system has become a very active area of research in biomedicine. It is known that blood flow plays a key role in the proper functioning of the cardiovascular system and in the progression of the related pathologies. For this reason, computational fluid dynamics simulations have become increasingly important in the field of Cardiovascular Medicine. Given the limitation of current imaging methods, computational fluid dynamics has become a powerful tool for producing detailed, patient-specific information. In this final degree thesis, patient-specific data, obtained by magnetic resonance imaging, have been used to create a three-dimensional model, which has been used to perform a computational simulation of blood flow into the pulmonary artery, using open source software SimVascular. The principal obtained results, such as the volumetric flow during the cardiac cycle or the velocity distribution, have been analysed and compared (graphically and numerically) with the in vivo data of the patient, observing the correlation between the two, results have been validated

Col·locació automàtica de stent per ordinador mitjançant estimacions de paràmetres hemodinàmics per al tractament de l'estenosi de l'artèria pulmonar

La determinació de la geometria i posició d’un stent és una de les tasques més sensibles quan es planifica una intervenció per estenosi de l’artèria pulmonar. L’objectiu d’aquest projecte és de determinar automàticament la posició i geometria del stent a implantar a partir d’imatges CT i utilitzant paràmetres hemodinàmics calculats a partir de la dinàmica de fluids digital (Computer Fluid Dynamics). La utilització de la mecànica de fluids com a mètode d’optimització s’explica pel fet que una estenosi introdueix un gradient de pressió al llarg de l’artèria on es troba la lesió. Així doncs, la implantació d’un stent té com a objectiu el restabliment del flux sanguini, és a dir, la reducció de la diferència de pressió entre els dos extrems de l’estenosi. La primera etapa del mètode desenvolupat és la segmentació i la reconstrucció en 3D de l’artèria pulmonar a partir de la tomografia del pacient (CT). Seguidament, s’extreu la línia central de l’artèria i s’identifica la posició de l’estenosi. La següent etapa consisteix en simular un conjunt de solucions no òptimes a partir de diferents diàmetres d’expansió del stent. Finalment, es calcula l’hemodinàmica de cada una d’aquestes solucions i se selecciona com a òptima aquella que ens dona una diferència de pressió mínima. Aquest mètode ha estat testejat amb dos casos diferents d’estenosi. Paral·lelament, s’ha mesurat la geometria del stent implantat en l’operació real i se n’ha calculat el gradient de pressió associat. Els resultats d’aquest estudi mostren una millora del 60% i el 23% en el gradient en relació a la intervenció real

Estudi de l'efecte de la vora de sortida en un perfil hidrodinàmic Donaldson

En el següent projecte de final de grau s’estudia l’efecte de l’angle de la vora de sortida en perfils hidrodinàmics, en aquest cas amb sortida tipus Donaldson, mitjançant la mecànica de fluids computacional. Es tenen resultats experimentals d’aquest perfil i se’n vol estudiar el comportament de la capa límit, tant a la zona del perfil com a la del deixant, els vòrtexs generats, com també els perfils de velocitats, els coeficients de resistència i sustentació i les seves freqüències representatives. Primerament, s’ha realitzat un estudi de sensibilitat de malla per saber si els resultats obtinguts s’ajusten als experimentals. També s’ha analitzat diferents geometries, dels quals se’ls ha variat l’angle de la vora de sortida. Amb aquest estudi es pretén comprovar i estudiar quins canvis es produeixen quan es varia la forma del perfil i com canvien les velocitats al perfil, l’espessor de la capa límit i les seves freqüències representatives. S’ha intentat solucionar els problemes que han anat sorgint de manera que s’hagi aconseguit complir les expectatives inicials

Estudio de fuerzas aerodinámicas sobre cuerpos

En aquest Treball de Final de Grau d’Enginyeria Mecànica s’ha realitzat l’estudi del flux al voltant d’una esfera llisa, amb l’objectiu d’obtenir les forces de resistència generades pel pas de l’aire al seu voltant. L’estudi comprèn una part experimental i una altra numèrica. S’han realitzat mesures experimentals en un túnel de vent, situat al laboratori del departament de Mecànica de Fluids de l’Escola d’Enginyeria de Barcelona Est, on s’han obtingut les forces d’arrossegament sobre l’esfera a diferents velocitats de l’aire. També s’han realitzat simulacions numèriques mitjançant Dinàmica de Fluids Computacional, del flux al voltant de la mateixa esfera, amb l’objectiu d’obtenir les forces de resistència. Per a això s’ha creat una geometria simplificada del túnel. S’han realitzat estudis amb diferents malles i models de turbulència. Finalment s’han comparat els resultats d’ambdós, experimentals I numèrics

Anàlisi de les pèrdues de càrrega localitzades en túnels hidràulics revestits amb dovelles

The main focus of this study was to examine the head losses generated in hydraulic tunnels by the elements presents on rings and segments (longitudinal and circumferencial joints). We used Comsol Multiphysics to compute different numerical analysis in 2D and 3D. The results allowed us to analyse the influence of each of our variables (ring’s length, speed, tunnel diameter and joint width) into the head losses. The results confirm that the presence of geometrical elements on the segments produce until one order of magnitude of head losses more than the generated by wall friction. Furthermore, the most influential parameter was the circumferencial joints between rings. With these values, we defined an equation to predict, with a high accuracy and low complexity, the head losses generated by ring’s length and depending on our variables. Finally, we applied this equation to a real case; showing that long-term economic benefits will be higher when the joints between rings are sealed.Les pèrdues de càrrega en els túnels hidràulics han sigut objecte d’estudi en els darrers anys. Fins ara, però, aquests estudis s’han centrat en les pèrdues degudes a la fricció de l’aigua amb les parets, sense analitzar-ne altres elements presents en les dovelles. Donades aquestes circumstàncies, esdevé interessant estudiar l’afectació de les juntes i dels orificis per a l’erector en les pèrdues de pressió d’aigua en túnels hidràulics. Des què aquests es construeixen amb dovelles, els clients sempre han preferit no segellarne les juntes. Aquest treball pretén corroborar o desmentir la rendibilitat de realitzar aquesta acció fins ara no estudiada. Per fer-ho, es realitzaran diversos anàlisis numèrics en 2D i 3D amb Comsol Multiphysics, els resultats dels quals ens permetran analitzar com influeixen diverses variables (amplada de junta, velocitat, longitud de l’anell i diàmetre) en les pèrdues de pressió. Inicialment hem realitzat un cas 2D axisimètric per tal d’obtenir el perfil de velocitats estacionàries que s’empraran per als models 3D. Seguidament, s’han realitzat diversos anàlisis en 2D amb una junta circumferencial per veure com aquesta influeix en les pèrdues de pressió. Per últim, hem analitzat un ventall de models en 3D per simular amb més exactitud i veracitat el comportament del fluid amb les parets del túnel. Els resultats dels models 3D han confirmat que les pèrdues obtingudes amb aquests elements en les dovelles són d’un ordre de magnitud superior que les produïdes per fricció. Tanmateix, han demostrat que l’element de la dovella que causa més pèrdues de pressió és la junta circumferencial. Amb els resultats obtinguts, hem pogut definir una equació que ens estima les pèrdues de càrrega per longitud d’anell segons les variables estudiades. Finalment, hem aplicat aquesta equació per a un cas pràctic real; demostrant que els beneficis econòmics a llarg termini seran superiors si es segellen les juntes entre anells del túnel

Millora aerodinàmica d'un model a escala d'un Buggy

La importància de l'aerodinàmica en els buggys ha augmentat aquests darrers anys a causa de la introducció dels vehicles elèctrics, on l'eficiència és un factor que afecta directament a l'autonomia del vehicle. Aquest projecte recull l'estudi aerodinàmic d'un model a escala d'un buggy mitjançant un programa de Dinàmica de Fluids Computacional (CFD Computational Fluid Dynamics) anomenat Autodesk CFD. A la memòria, es descriuen els conceptes bàsics d'aerodinàmica com a introducció del tema i s'identifiquen les principals parts aerodinàmiques dels buggys i del buggy estudiat. Es modela en 3D i s'exposa el model al programari de simulació computacional per fer l'anàlisi aerodinàmica. A continuació s'analitzen els resultats numèrics obtinguts amb el programa per finalitzar amb el plantejament de possibles millores aerodinàmiques que es podrien implementar sobre aquest vehicle.The importance of aerodynamics in buggies has increased in recent years due to the introduction of electric vehicles, where efficiency is a factor that directly affects the autonomy of the vehicle. This project includes the aerodynamic study of a scale model of a buggy using a Computational Fluid Dynamics (CFD) program called Autodesk CFD. In the memory, the basic concepts of aerodynamics are described as an introduction to the subject and the main aerodynamic parts of the buggies and of the buggy studied are identified. The model is modeled in 3D and exposed to computer simulation software for aerodynamic analysis. Next, the numerical results obtained with the program are analyzed to end with the approach of possible aerodynamic improvements that could be implemented on this vehicle