A quasi 3D approach for the modelling of an automotive turbocharger's compressor

In this work the 3DCell method has been extended to the thermo-fluid dynamic simulation of an automotive turbocharger's compressor. The 3DCell, an approach continuously developed by the authors at Politecnico di Milano, is based on a pseudo-staggered leapfrog method that allows to decompose a generic 3D problem in a set of 1D scalar equation arbitrarily oriented in space. The system of equations has been solved referring to a relative rotating framework for the moving components, whereas to an absolute reference elsewhere. The domain has been discretized on a basis of a polar coordinate system, identifying five macro sub-domains, namely the inlet pipe, impeller, vaneless diffuser, volute, outlet pipe, each treated numerically in a specific way. The diffuser's momentum in the tangential direction has been modelled resorting to the conservation of the angular momentum, while the rotor channels are modelled as rotating pipes that exchange work and momentum with the blades as they experience a relative source term due to the centrifugal force field and its potential. The model has been validated against measurements carried out on a steady state flow test bench at University of Genoa

Experimental study of oil coking problem and contribution to the modelling of heat transfer in turbochargers

[ES] The automotive industry represents one of the most important sectors in the world. Given its socio-economic influence, research is aimed at reducing fuel consumption and emissions. Turbochargers provide several benefits including increased power for a given engine size, improved fuel economy and reduced emissions. The turbocharger is an important piece for the new generation of engines that must comply with the Euro 6 or in the U.S. Tier 3 vehicle emissions and fuel standard program. As more effort is made to increase efficiencies and reduce emissions, the complexity of the system increases. The high rotational speeds, pulsating flow conditions and high temperature differences between working fluids (exhaust gases, compressed air, lubricating oil, coolant fluids) make the turbo-charging a challenging task. Numerical simulation opens a range of possibilities to study the performance, efficiency and design of components in the turbocharger, but requires continued accuracy refinements. In this thesis, a great effort has been made to improve the overall understanding of the different physical phenomena that occur inside the turbocharger. Both, experimental and modelling efforts have been made to understand the thermal behaviour of the turbocharger under engine start/stop conditions. After state-of-the-art review of thermal studies and heat transfer simulation codes, this work presents an extensive experimental testing campaign that includes a thermal characterization of the turbocharger in stationary and transient conditions. Subsequently, several turbochargers were measured to assess the consequences that degraded oils can generate in the bearing system during endurance tests of oil-coking. To minimize the possibilities of coke formation, some theoretical studies were done. First, a 1D turbocharger model was used in GT-PowerTM for a detailed study of the temperature rise in the central housing during an engine hot-stop. The simulated cooling strategies aims to find an optimal in terms of minimizing extra energy consumption per K housing temperature reduction. After, a 2D radial model is proposed as improvement of an existing one-dimensional model developed at CMT - Universitat Politècnica de València. Aiming for a low computational cost, the radial model was developed to be compatible with fast one-dimensional engine simulations. Later, a detailed solution of heat fluxes was made by means of CFD using a 3D design of the turbocharger's central housing. The 3D model improved the results when temperature of the bearings/shaft is required. Additionally, thermal properties within the turbocharger can be obtained and therefore a reduction of the experimental tasks in the thermohydraulic test bench. Both 2D and 3D models were validated using experimental data, demonstrating predictive accuracy improvements on the results of previous models.[CA] La industria automotriz representa uno de los sectores más importantes del mundo. Dada su influencia socioeconómica, la investigación está destinada a reducir el consumo de combustible y las emisiones. Los turbocompresores ofrecen varios beneficios, entre ellos, mayor potencia para un tamaño de motor determinado, mejor economía de combustible y reducción de emisiones. El turbocompresor es una pieza importante para la nueva generación de motores que deben cumplir con la normativa Euro 6 o en el programa estándar de emisiones y combustible de los EE. UU. Tier 3. A medida que se hacen más esfuerzos para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones, la complejidad del sistema aumenta. Las altas velocidades de rotación, las condiciones de flujo pulsante y las altas diferencias de temperatura entre los fluidos de trabajo (gases de escape, aire comprimido, aceite lubricante, fluidos refrigerantes) hacen que la turbocarga sea una tarea desafiante. La simulación numérica abre un rango de posibilidades para estudiar el rendimiento, la eficiencia y el diseño de los componentes en el turbocompresor, pero requiere continuos refinamientos de precisión. En esta tesis, se ha hecho un gran esfuerzo para mejorar la comprensión global de los diferentes fenómenos físicos que ocurren al interior del turbocompresor. Se han hecho esfuerzos experimentales y de modelado para comprender el comportamiento térmico del turbocompresor en condiciones de arranque/parada del motor. Luego de una revisión de los estudios térmicos y de los códigos de simulación de transferencia de calor, éste trabajo presenta una extensa campaña de pruebas experimentales que incluye una caracterización térmica del turbocompresor en condiciones estacionarias y transitorias. Posteriormente, se midieron varios turbocompresores para evaluar las consecuencias que los aceites degradados pueden generar en el sistema de rodamientos durante pruebas de resistencia de coque de aceite. Para minimizar las posibilidades de formación de coque, se realizaron algunos estudios teóricos. En primer lugar, se usó un modelo de turbocompresor 1D en GT-PowerTM para un estudio detallado del aumento de temperatura de la carcasa central del turbocompresor durante un paro en caliente del motor. Las estrategias de enfriamiento simuladas apuntan a encontrar un óptimo en términos de minimizae el consumo de energía extra por reducción de la temperatura de la carcasa en Kelvin. Posteriormente, se propone un modelo radial 2D como mejora de un modelo unidimensional existente desarrollado en la CMT - Universitat Politècnica de València. Con el objetivo de conseguir un bajo costo computacional, el modelo radial 2D se desarrolló para ser compatible con simulaciones unidimensionales rápidas de motor. Después, se realizó una solución detallada de los flujos de calor mediante CFD utilizando un diseño 3D de la carcasa central del turbocompresor. El modelo 3D mejora los resultados cuando se requiere la temperatura de los cojinetes/eje. Además, con ésta campaña de CFD se pueden obtener propiedades térmicas dentro del turbocompresor y, por lo tanto, una reducción de las tareas experimentales en el banco de pruebas termohidráulico. Ambos modelos 2D y 3D fueron validados utilizando datos experimentales, demostrando mejoras de precisión de predicción sobre los resultados de modelos anteriores.[EN] La indústria automotriu representa un dels sectors més importants del món. Donada la seua influència socioeconòmica, la investigació està destinada a reduir el consum de combustible i les emissions. Els turbocompressors oferixen diversos beneficis, entre ells, major potència per a una grandària de motor determinat, millor economia de combustible i reducció d'emissions. El turbocompressor és una peça important per a la nova generació de motors que han de complir amb la normativa Euro 6 o en el programa estàndard d'emissions i combustible dels EE. UU. Tier 3. A mesura que es fan més esforços per a augmentar l'eficiència i reduir les emissions, la complexitat del sistema augmenta. Les altes velocitats de rotació, les condicions de flux polsen-te i les altes diferències de temperatura entre els fluids de treball (gasos de fuga, aire comprimit, oli lubricant, fluids refrigerants) fan que la turbocarga siga una tasca desafiador. La simulació numèrica obri un rang de possibilitats per a estudiar el rendiment, l'eficiència i el disseny dels components en el turbocompressor, però requerix continus refinaments de precisión. En aquesta tesi, s'ha fet un gran esforç per a millorar la comprensió global dels diferents fenòmens físics que ocorren a l'interior del turbocompressor. S'han fet esforços experimentals i de modelatge per a comprendre el comportament tèrmic del turbocompressor en condicions d'arranque/parada del motor. Després d'una revisió dels estudis tèrmics i dels codis de simulació de transferència de calor, este treball presenta una extensa campanya de proves experimentals que inclou una caracterització tèrmica del turbocompressor en condicions estacionàries i transitòries. Posteriorment, es van mesurar uns quants turbocompressors per a avaluar les conseqüències que els olis degradats poden generar en el sistema de rodaments durant proves de resistència de coc d'aceite. Per a minimitzar les possibilitats de formació de coc, es van realitzar alguns estudis teòrics. En primer lloc, es va usar un model de turbocompressor 1D en GT- Power \textsuperscript{TM} per a un estudi detallat de l'augment de temperatura de la carcassa central del turbocompressor durant una desocupació en calent del motor. Les estratègies de refredament simulades apunten a trobar un òptim en termes de minimizae el consum d'energia extra per reducció de la temperatura de la carcassa en Kelvin. Posteriorment, es proposa un model radial 2D com a millora d'un model unidimensional existent desenrotllat en la CMT - Universitat Politècnica de València. Amb l'objectiu d'aconseguir un baix cost computacional, el model radial 2D es va desenrotllar per a ser compatible amb simulacions unidimensionals ràpides de motor. Después, es va realitzar una solució detallada dels fluxos de calor per mitjà de CFD utilitzant un disseny 3D de la carcassa central del turbocompressor. El model 3D millora els resultats quan es requerix la temperatura dels cojinetes/eje. A més, amb esta campanya de CFD es poden obtindre propietats tèrmiques dins del turbocompressor i, per tant, una reducció de les tasques experimentals en el banc de proves termohidráulico. Ambdós models 2D i 3D van ser validats utilitzant dades experimentals, demostrant millores de precisió de predicció sobre els resultats de models anteriores.Rodriguez Usaquén, YT. (2019). Experimental study of oil coking problem and contribution to the modelling of heat transfer in turbochargers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117314TESI

Acoustic and pressure characteristics of a ported shroud turbocompressor operating at near surge conditions

[EN] The operation of compressor at lower mass flow rates is limited by surge which is marked by large fluctuations in operational variables and accompanied by significant increase in noise. Ported shroud casing treatment is a widely used method to control the flow near unstable conditions in order to obtain a stable operation and enhance deep surge margin. The research on the acoustic effects of the ported shroud design is limited. Therefore, this paper numerically characterises the acoustic features of a turbocharger compressor with ported shroud design operating at marginal or soft surge conditions and investigates the correlation between acoustic characteristics and the spatial flow structures. The acoustic and the flow field features are analysed using spectral signatures obtained from an experimentally validated numerical model using both performance and acoustic measurements. Propagation of the frequency content through the ducts has been estimated with the aid of the beamforming and method of characteristics to enhance the content coming from the compressor. Expected acoustic phenomena such as rotating order tones and blade passing peaks are correctly identified in the modelled spectrum with the limitation to capture the specific broadband features. Hence, the numerical model can be used to further the research encompassing the impact these flow enhancement solutions have on the noise emission of the turbocharger. Inspection of the flow field shows radially exiting fluid at the ported shroud slot leading to the formation of the high-speed jets exiting the ported shroud cavity. Circumferential propagation of the stall cells is also identified in the impeller. Further inspection of the pressure field through modal decomposition implies the localisation of the energetic noise sources in the impeller downstream components. The influence of the ported shroud cavity on the acoustic characteristic of the compressor is not significant and is limited to the propagation of the tonal noise in the direction of impeller upstream. (C) 2019 Elsevier Ltd. All rights reserved.The project is sponsored and supported by BorgWarner Turbo Systems and the Regional Growth Fund (RGF Grant Award 01.09.07.01/1789C). The authors would like to thank BorgWarner Turbo Systems for permission to publish the results presented in this paper. The support of the HPC group at the University of Huddersfield is gratefully acknowledged.Sharma, S.; Broatch, A.; Garcia Tiscar, J.; Nickson, AK.; Allport, JM. (2019). Acoustic and pressure characteristics of a ported shroud turbocompressor operating at near surge conditions. Applied Acoustics. 148:434-447. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2019.01.005S43444714

Aeronautical Engineering. A continuing bibliography, supplement 115

This bibliography lists 273 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in October 1979

Simulation and modelling of the performance of radial turbochargers under unsteady flow

[ES] Está fuera de toda duda que la industria del automóvil está viviendo una profunda transformación que, durante los últimos años, ha progresado a un ritmo acelerado. Debido a la crecientemente estricta regulación sobre emisiones contaminantes y la necesidad de satisfacer la siempre creciente demanda de movilidad sostenible, es necesario que los motores de combustión modernos reduzcan su consumo y emisiones manteniendo el rendimiento del motor. Para enfrentarse a este desafío, los ingenieros de investigación y desarrollo han redoblado sus esfuerzos a la hora de diseñar y mejorar los modelos unidimensionales, hasta el punto en el que el desarrollo de modelos 1D así como la simulación juegan un papel fundamental en los primeras etapas de diseño de nuevos motores y tecnologías. Al mismo tiempo, la tecnología de turbosobrealimentación se ha consolidado como una de las más efectivas a la hora de construir motores de alta eficiencia, lo que ha hecho evidente la importancia de comprender y modelar correctamente los efectos asociados a los turbogrupos. Particularmente, los fenómenos que ocurren en la turbina en condiciones de flujo fuertemente pulsante han demostrado ser complicadas de modelar y sin embargo decisivas, ya que los códigos de simulación son especialmente útiles cuando son diseñados para trabajar en condiciones realistas. Este trabajo se centra en mejorar los modelos unidimensionales actuales así como en desarrollar nuevas soluciones con el objetivo de contribuir a una mejor predicción del comportamiento de la turbina sometida a condiciones de flujo pulsante. Tanto los esfuerzos realizados en los trabajos experimentales como en los de modelado se han producido para poder proporcionar métodos que sean fáciles de adaptar a las diferentes configuraciones de turbogrupo usadas en la industria, por ello, pueden ser aplicados por ejemplo en turbinas de entrada simple y también en las cada vez más usadas turbinas de entrada doble. En cuanto al trabajo de modelado en la parte de turbina de entrada simple, el foco se ha puesto en presentar una versión mejorada de un código quasi-2D. La validación del modelo se basa en los datos experimentales que están disponibles de trabajos enteriores de la literatura, proporcionando una comparación completa entre los modelos quasi-2D y el clásico modelo 1D. La presión a la entrada y salida de la turbina se ha descompuesto en ondas que viajan hacia delante y hacia atrás por medio de la descomposición de presiones, empleando la componente reflejada y transmitida para verificar la bondad del modelo. El trabajo experimental de esta tesis se centra en desarrollar un nuevo método para ensayar cualquier turbina de doble entrada sometida a condiciones de flujo fuertemente pulsante. La configuración del banco de gas se ha diseñado para ser suficientemente flexible como para realizar pulsos en las dos ramas de entrada por separado, así como para usar condiciones de flujo caliente o condiciones ambiente con mínimos cambios en la instalación. La campaña experimental se usa para validar un modelo integrado unidimensional de turbina tipo twin scroll con especial foco en las componentes reflejada y transmitida para analizar el desempeño del modelo su capacidad de predicción de la acústica no lineal. Finalmente, después de desarrollar el trabajo experimental y de modelado, se presenta un procedimiento para caracterizar el sonido y ruido de la turbina por medio de matrices de transferencia acústica que es comparado con el código unidimensional completo. En este sentido, el método proporciona una herramienta útil y fácil de implementar para simulaciones en tiempo real que aplica de una manera práctica el trabajo de modelado expuesto a lo largo de esta tesis.[CA] Està fora de tot dubte que la indústria de l'automòbil està vivint una profunda transformació que, durant els últims anys, ha progressat a un ritme accelerat. A causa de la creixentment estricta regulació sobre emissions contaminants i la necessitat de satisfer la sempre creixent demanda de mobilitat sostenible, és necessari que els motors de combustió moderns reduïsquen el seu consum i emissions mantenint el rendiment del motor. Per a enfrontar-se a aquest desafiament, els enginyers de recerca i desenvolupament han redoblat els seus esforços a l'hora de dissenyar i millorar els models unidimensionals, fins al punt en el qual el desenvolupament de models 1D així com la simulació juguen un paper fonamental en les primeres etapes de disseny de nous motors i tecnologies. Al mateix temps, la tecnologia de turbosobrealimentación s'ha consolidat com una de les més efectives a l'hora de construir motors d'alta eficiència, la qual cosa ha fet evident la importància de comprendre i modelar correctament els efectes associats als turbogrupos. Particularment, els fenòmens que ocorren en la turbina en condicions de flux fortament polsant han demostrat ser complicades de modelar i no obstant això decisives, ja que els codis de simulació són especialment útils quan són dissenyats per a treballar en condicions realistes. Aquest treball se centra en millorar els models unidimensionals actuals així com a desenvolupar noves solucions amb l'objectiu de contribuir a una millor predicció del comportament de la turbina sotmesa a condicions de flux polsant. Tant els esforços realitzats en els treballs experimentals com en els de modelatge s'han produït per a poder proporcionar mètodes que siguen fàcils d'adaptar a les diferents configuracions de turbogrupo usades en l'indústria, per això, poden ser aplicats per exemple en turbines d'entrada simple i també en les cada vegada més usades turbines d'entrada doble. Pel que fa al treball de modelatge en la part de turbina d'entrada simple, el focus s'ha posat a presentar una versió millorada d'un codi quasi-2D. La validació del model es basa en les dades experimentals que estan disponibles de treballs anteriors de la literatura, proporcionant una comparació completa entre els models quasi-2D i el clàssic model 1D. La pressió a l'entrada i eixida de la turbina s'ha descompost en ones que viatgen cap avant i cap enrere per mitjà de la descomposició de pressions, emprant la component reflectida i transmesa per a verificar la bondat del model. El treball experimental d'aquesta tesi se centra en desenvolupar un nou mètode per a assajar qualsevol turbina de doble entrada sotmesa a condicions de flux fortament pulsante. La configuració del banc de gas s'ha dissenyat per a ser prou flexible com per a realitzar polsos en les dues branques d'entrada per separat, així com per a usar condicions de flux calent o condicions ambient amb mínims canvis en la instal·lació. La campanya experimental s'usa per a validar un model integrat unidimensional de turbina tipus twin-scroll amb especial focus en les components reflectida i transmesa per a analitzar l'acompliment del model la seua capacitat de predicció de l'acústica no lineal. Finalment, després de desenvolupar el treball experimental i de modelatge, es presenta un procediment per a caracteritzar el so i soroll de la turbina per mitjà de matrius de transferència acústica que és comparat amb el codi unidimensional complet. En aquest sentit, el mètode proporciona una eina útil i fàcil d'implementar per a simulacions en temps real que aplica d'una manera pràctica el treball de modelatge exposat al llarg d'aquesta tesi.[EN] It is beyond all doubt that the automotive industry is living a deep transformation that, during the last years, has progressed at an ever accelerating rate. Due to the increasingly stringent pollutant emission regulations and the necessity to fulfil an ever growing demand for sustainable mobility, the modern internal combustion engines are required to strongly reduce the fuel consumption and emissions, while keeping the engine performance. In order to confront this challenge, engine research and development engineers have redoubled their efforts in designing and improving one-dimensional codes, to the point that the development of 1D models and simulation campaigns play a major role in the early steps of designing new engines or technologies. At the same time as the turbocharging technology has arisen as one of the most effective and extended solutions for building high efficient engines, the importance of understanding and modelling correctly the turbocharger effects has become evident. In particular, the phenomena that occurs in the turbine under highly pulsating conditions have proven to be challenging to model and yet decisive, as simulation codes are especially useful when they are designed to work under realistic conditions. This work focusses on the improvement of current one-dimensional models as well as in the development of new solutions with the aim of contributing to a better prediction of the turbine performance under pulsating conditions. Both experimental and modelling efforts have been made in order to provide methods that are easily adaptable to different turbocharger configurations used in the industry, so they can be applied for example in single turbines and also in the increasingly used two-scroll turbine technology. Regarding the modelling work of the single entry turbine part, the work has been focused in presenting an improved version of a quasi-2D code. The validation of the model is based on the experimental data available from previous works of the literature, providing a complete comparison between the quasi-2D and a classic 1D model. By means of a pressure decomposition, the pressure at the turbine inlet and outlet has been split into forward and backward travelling waves, employing the reflected and transmitted components to verify the goodness of the model. The experimental work of the thesis is centred in developing a new method in order to test any two-scroll turbine under highly pulsating flow conditions. The gas stand setup has been designed to be flexible enough to perform pulses in both inlet branches separately as well as to use hot or ambient conditions with minimal changes in the installation. The experimental campaign is used to fully validate an integrated 1D twin-scroll turbine model with special focus in the reflected and transmitted components for analysing the performance of the model and its non-linear acoustics prediction capabilities. Finally, after the experiment and modelling work is developed, a procedure to characterise the turbine sound and noise by means of acoustic transfer matrices is presented and tested against the fully one-dimensional code. In this sense, this method provides a useful and easily-implementable tool for fast and real time simulations that applies in a practical way the modelling work exposed along this thesis.Soler Blanco, P. (2020). Simulation and modelling of the performance of radial turbochargers under unsteady flow [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/141609TESI

Acoustic characteristics of a ported shroud turbocompressor operating at design conditions

[EN] In this article, the acoustic characterisation of a turbocharger compressor with ported shroud design is carried out through the numerical simulation of the system operating under design conditions of maximum isentropic efficiency. While ported shroud compressors have been proposed as a way to control the flow near unstable conditions in order to obtain a more stable operation and enhance deep surge margin, it is often assumed that the behaviour under stable design conditions is characterised by a smooth, non-detached flow that matches an equivalent standard compressor. Furthermore, research is scarce regarding the acoustic effects of the ported shroud addition, especially under the design conditions. To analyse the flow field evolution and its relation with the noise generation, spectral signatures using statistical and scale-resolving turbulence modelling methods are obtained after successfully validating the performance and acoustic predictions of the numerical model with experimental measurements. Propagation of the frequency content through the ducts has been estimated with the aid of pressure decomposition methods to enhance the content coming from the compressor. Expected acoustic phenomena such as `buzz-saw¿ tones, blade passing peaks and broadband noise are correctly identified in the modelled spectrum. Analysis of the flow behaviour in the ported shroud shows rotating structures through the slot that may impact the acoustic and vibration response. Further inspection of the pressure field through modal decomposition confirms the influence of the ported shroud cavity in noise generation and propagation, especially at lower frequencies, suggesting that further research should be carried out on the impact these flow enhancement solutions have on the noise emission of the turbocharger.The project was sponsored and supported by BorgWarner Turbo Systems and the Regional Growth Fund (RGF Grant Award 01.09.07.01/1789C). The authors would like to thank BorgWarner Turbo Systems for permission to publish the results presented in this article. The support of the HPC group at the University of Huddersfield is gratefully acknowledged.Sharma, S.; Broatch, A.; Garcia Tiscar, J.; Allport, JM.; Nickson, AK. (2020). Acoustic characteristics of a ported shroud turbocompressor operating at design conditions. International Journal of Engine Research. 21(8):1454-1468. https://doi.org/10.1177/1468087418814635S14541468218Sundström, E., Semlitsch, B., & Mihăescu, M. (2017). Generation Mechanisms of Rotating Stall and Surge in Centrifugal Compressors. Flow, Turbulence and Combustion, 100(3), 705-719. doi:10.1007/s10494-017-9877-zGonzalez, A., Ferrer, M., de Diego, M., Piñero, G., & Garcia-Bonito, J. . (2003). Sound quality of low-frequency and car engine noises after active noise control. Journal of Sound and Vibration, 265(3), 663-679. doi:10.1016/s0022-460x(02)01462-1Brizon, C. J. da S., & Bauzer Medeiros, E. (2012). Combining subjective and objective assessments to improve acoustic comfort evaluation of motor cars. Applied Acoustics, 73(9), 913-920. doi:10.1016/j.apacoust.2012.03.013Teng, C., & Homco, S. (2009). Investigation of Compressor Whoosh Noise in Automotive Turbochargers. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems, 2(1), 1345-1351. doi:10.4271/2009-01-2053Figurella, N., Dehner, R., Selamet, A., Tallio, K., Miazgowicz, K., & Wade, R. (2014). Noise at the mid to high flow range of a turbocharger compressor. Noise Control Engineering Journal, 62(5), 306-312. doi:10.3397/1/376229Torregrosa, A. J., Broatch, A., Margot, X., García-Tíscar, J., Narvekar, Y., & Cheung, R. (2017). Local flow measurements in a turbocharger compressor inlet. Experimental Thermal and Fluid Science, 88, 542-553. doi:10.1016/j.expthermflusci.2017.07.007Broatch, A., Galindo, J., Navarro, R., García-Tíscar, J., Daglish, A., & Sharma, R. K. (2015). Simulations and measurements of automotive turbocharger compressor whoosh noise. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 9(1), 12-20. doi:10.1080/19942060.2015.1004788Raitor, T., & Neise, W. (2008). Sound generation in centrifugal compressors. Journal of Sound and Vibration, 314(3-5), 738-756. doi:10.1016/j.jsv.2008.01.034Galindo, J., Tiseira, A., Navarro, R., & López, M. A. (2015). Influence of tip clearance on flow behavior and noise generation of centrifugal compressors in near-surge conditions. International Journal of Heat and Fluid Flow, 52, 129-139. doi:10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.12.004Broatch, A., Galindo, J., Navarro, R., & García-Tíscar, J. (2014). Methodology for experimental validation of a CFD model for predicting noise generation in centrifugal compressors. International Journal of Heat and Fluid Flow, 50, 134-144. doi:10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.06.006Semlitsch, B., & Mihăescu, M. (2016). Flow phenomena leading to surge in a centrifugal compressor. Energy, 103, 572-587. doi:10.1016/j.energy.2016.03.032Sundström, E., Semlitsch, B., & Mihăescu, M. (2018). Acoustic signature of flow instabilities in radial compressors. Journal of Sound and Vibration, 434, 221-236. doi:10.1016/j.jsv.2018.07.040Torregrosa, A. J., Broatch, A., Margot, X., & García-Tíscar, J. (2016). Experimental methodology for turbocompressor in-duct noise evaluation based on beamforming wave decomposition. Journal of Sound and Vibration, 376, 60-71. doi:10.1016/j.jsv.2016.04.035Nicoud, F., & Ducros, F. (1999). Flow, Turbulence and Combustion, 62(3), 183-200. doi:10.1023/a:1009995426001Chow, P., Cross, M., & Pericleous, K. (1996). A natural extension of the conventional finite volume method into polygonal unstructured meshes for CFD application. Applied Mathematical Modelling, 20(2), 170-183. doi:10.1016/0307-904x(95)00156-eKaji, S., & Okazaki, T. (1970). Generation of sound by rotor-stator interaction. Journal of Sound and Vibration, 13(3), 281-307. doi:10.1016/s0022-460x(70)80020-7Sivagnanasundaram, S., Spence, S., & Early, J. (2013). Map Width Enhancement Technique for a Turbocharger Compressor. Journal of Turbomachinery, 136(6). doi:10.1115/1.4007895Aubry, N. (1991). On the hidden beauty of the proper orthogonal decomposition. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 2(5-6), 339-352. doi:10.1007/bf00271473Wold, S., Esbensen, K., & Geladi, P. (1987). Principal component analysis. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2(1-3), 37-52. doi:10.1016/0169-7439(87)80084-9LIANG, Y. C., LEE, H. P., LIM, S. P., LIN, W. Z., LEE, K. H., & WU, C. G. (2002). PROPER ORTHOGONAL DECOMPOSITION AND ITS APPLICATIONS—PART I: THEORY. Journal of Sound and Vibration, 252(3), 527-544. doi:10.1006/jsvi.2001.4041Abdi, H., & Williams, L. J. (2010). Principal component analysis. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 2(4), 433-459. doi:10.1002/wics.101Nikiforov, V. (2007). The energy of graphs and matrices. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 326(2), 1472-1475. doi:10.1016/j.jmaa.2006.03.07

Development of an altitude simulator and analysis of the performance and emissions of turbocharged Diesel engines at different altitudes

En el pasado, la investigación de los motores de combustión interna se ha centrado en la reducción del combustible y las emisiones, manteniendo constante el rendimiento. Además, en los últimos años la presión está aumentando aún más para los fabricantes de motores. La nueva homologación es un gran desafío, principalmente debido a la introducción de los ciclos de emisiones de conducción reales (RDE), lo que obligará a homologar los coches en condiciones reales de conducción, más dinámicas y con un amplio rango de condiciones ambientales, donde la altitud ambiente puede llevar a los 1300 metros sobre el nivel del mar. Hoy en día, los fabricantes tienen diferentes formas de ensayar los motores y los automóviles en condiciones de altitud. Pruebas en altitud real, donde el automóvil, los ingenieros y los sistemas de medida y ensayo deben desplazarse a un lugar en altitud durante largos períodos de tiempo. La otra solución es ensayar el automóvil en una cámara hipobárica, donde se puede controlar la presión. Sin embargo, estas cámaras son costosas, difíciles de operar e intensivas en espacio y recursos. En la presente tesis, se desarrolla un simulador de altitud, que presentará otra alternativa para el ensayo de motores en altitud. En este simulador de altitud, el motor está a presión ambiente y solo sus conductos de admisión y escape están a la altitud del ensayo. En la tesis, se describe el principio de operación del simulador de altitud, sus diferentes elementos y su efecto sobre el rendimiento del simulador de altitud, así como las estrategias de control aplicadas para controlar las diferentes variables y elementos. Para estudiar el potencial del simulador de altitud, un motor diésel turboalimentado se ha ensayado a diferentes altitudes y su rendimiento y emisiones se han comparado con los obtenidos en una cámara hipobárica. Además, el motor se ha ensayado a diferentes altitudes en ciclos dinámicos y se ha analizado su rendimiento y emisiones, cuyos resultados muestran que la estrategia de control del motor cuando está operando en altitud se centra en la protección de los diferentes elementos sin tener en cuenta las emisiones. Por estas razones, es importante estudiar diferentes estrategias para reducir las emisiones de los motores en altitud. Finalmente, se han realizado diferentes estudios paramétricos cambiando la geometría de las válvulas del motor y colector de escape para analizar su efecto sobre la temperatura de entrada de los sistemas de postratamiendo y el consumo especifico de combustible, como una forma de reducir el tiempo que tardan dichos sistemas en alcanzar la temperatura objetivo con mayor eficiencia de trabajo.In the last decades, the internal combustion engines research has been focused in the reduction of the fuel consumption and emissions while keeping constant the performance. Besides, in the last years the pressure is increasing even more to the engine manufacturers. The new homologation is a big challenge, mainly because of the introduction of the real driving emissions cycles, which will force to homologate the cars under real driving conditions, more dynamic and with an extended range of ambient conditions. The ambient altitude can reach up to 1300 meters above sea level. Nowadays, the manufacturers have different ways to test the engines and cars in altitude conditions. Real altitude tests, where the car, engineers and testing systems have to be displaced to an altitude place during long periods of time. The other solution is to test the car in a hypobaric chamber, where the pressure can be controlled. However, these chambers are expensive, difficult to operate and intensive in space and resources. In the present thesis, an altitude simulator is developed, which will introduce another alternative to test engines in altitude. In this altitude simulator, the engine or car is at room pressure and only its intake and exhaust pipes are at the tested altitude. In the thesis, it is described the altitude simulator operation principle, its different elements and their effect on the altitude simulator performance, as well as the control strategies applied to control the different variables and elements. In order to proof the potential of the altitude simulator, a turbocharged diesel engine is tested at different altitudes and its performance and emissions results are compared with those obtained in a hypobaric chamber. Also the engine is tested at the different altitudes in dynamic cycles and its performance and emissions are analyzed, showing that the engine control strategy when it is operating in altitude is focused in the protection of the different elements without taking into account the emissions. For these reason, it is important to study different strategies to reduce engine emissions in altitude. Finally, different parametric studies changing different geometries of the engine valves and exhaust manifold in order to analyze its effect on the aftertreatment inlet temperature and the specific fuel consumption, as a way to reduce the time that it takes to the aftertreatment to reach the target conversion efficiency temperature.En el passat, la investigació dels motors de combustió interna s'ha centrat en la reducció del combustible i les emissions, mantenint constant el rendiment. A més, en els últims anys la pressió està augmentant encara més per als fabricants de motors. La nova homologació és un gran desafiament, principalment a causa de la introducció dels cicles d'emissions de conducció reals (RDE), el que obligarà a homologar els cotxes en condicions reals de conducció, més dinàmiques i amb un ampli rang de condicions ambientals, on l'altitud ambient pot portar els 1300 metres sobre el nivell del mar. Avui dia, els fabricants tenen diferents formes d'assajar els motors i els automòbils en condicions d'altitud. Proves en altitud real, on l'automòbil, els enginyers i els sistemes de mesura i assaig han de desplaçar-se a un lloc en altitud durant llargs períodes de temps. L'altra solució és assajar l'automòbil en una cambra hipobàrica, on es pot controlar la pressió. No obstant això, aquestes càmeres són costoses, difícils d'operar i intensives en espai i recursos. En la present tesi, es desenvolupa un simulador d'altitud, que presentarà una altra alternativa per a l'assaig de motors en altitud. En aquest simulador d'altitud, el motor està a pressió ambient i només els seus conductes d'admissió i escapament estan a l'altitud de l'assaig. A la tesi, es descriu el principi d'operació del simulador d'altitud, els seus diferents elements i el seu efecte sobre el rendiment del simulador d'altitud, així com les estratègies de control aplicades per controlar les diferents variables i elements. Per estudiar el potencial del simulador d'altitud, un motor dièsel turboalimentat s'ha assajat a diferents altituds i el seu rendiment i emissions s'han comparat amb els obtinguts en una cambra hipobàrica. A més, el motor s'ha assajat a diferents altituds en cicles dinàmics i s'ha analitzat el seu rendiment i emissions, els resultats mostren que l'estratègia de control del motor quan està operant en altitud se centra en la protecció dels diferents elements sense tenir en compte les emissions. Per aquestes raons, és important estudiar diferents estratègies per reduir les emissions dels motors en altitud. Finalment, s'han realitzat diferents estudis paramètrics canviant la geometria de les vàlvules del motor i col·lector d'escapament per analitzar el seu efecte sobre la temperatura d'entrada dels sistemes de postratamiendo i el consum especäifico de combustible, com una forma de reduir el temps que triguen aquests sistemes en arribar a la temperatura objectiu amb major eficiència de treball.Gómez Gil, J. (2018). Development of an altitude simulator and analysis of the performance and emissions of turbocharged Diesel engines at different altitudes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/101284TESI

Wave Cycle Design for Wave Rotor Gas Turbine Engines with Low NOx emissions

The wave rotor is a promising means of pressure-gain for gas turbine engines. This paper examines novel wave rotor topping cycles that incorporate low-NOx combustion strategies. This approach combines two-stage “rich-quench-lean” (RQL) combustion with intermediate expansion in the wave rotor to extract energy and reduce the peak stoichiometric temperature substantially. The thermodynamic cycle is a type of reheat cycle, with the rich-zone air undergoing a high-pressure stage. Rich-stage combustion could occur external to or within the wave rotor. An approximate analytical design method and CFD/combustion codes are used to develop and simulate wave rotor flow cycles. Engine cycles designed with a bypass turbine and external combustion demonstrate a performance enhancement equivalent to a 200–400 R (110–220 K) increase in turbine inlet temperature. The stoichiometric combustion temperature is reduced by 300–450 R (170–250 K) relative to an equivalent simple cycle, implying substantially reduced NOx formation

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 252)

This bibliography lists 425 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in April 1990. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Optimal Designs of Mobile Nuclear Engines to Power Manned Vehicles On Mars

This work develops original conceptual designs for compact nuclear fission reactor engines to power robust mobile equipment operating on the surface of the planet Mars. This is a nuclear application area not well explored in previous publications. Some novel analytical approaches are developed herein, including the application of optimal control theory to minimize radiation shielding mass. This work also provides the first study of using another planet\u27s atmosphere to implement open-cycle thermal conversion systems. To power equipment on Mars for extended durations at sustained power levels ranging from one hundred horsepower to several thousand horsepower, there is no practical alternative to a nuclear fission heat source. Design difficulties arise from mobility\u27s need to restrict engine size and mass, each of which is, in turn, determined by the schemes chosen for thermal conversion waste heat rejection and for neutron and gamma radiation shielding. The conceptual design solutions pursued herein entirely avoid a large waste heat rejection radiator or low pressure heat exchanger by instead using the martian air directly as the thermal conversion fluid. This Open Brayton Cycle implementation unconventionally employs large-diameter radial-flow compressor/turbine designs for the lower pressure air-flow stages in order to obtain sufficient efficiency from the low pressure martian air. Design prescriptions and analyses for these rotating components are included. The radiation shielding mass has been minimized by numerical algorithms developed as part of this work to solve the Euler-Lagrange equations for a minimum mass shield meeting stated radiation leakage requirements. In addition, a risk-balancing approach is taken to setting those radiation requirements in order to avoid excessive conservatism