Modelling of 3D anisotropic turbulent flow in compound channels

The present research focuses on the development and computer implementation of a novel threedimensional, anisotropic turbulence model not only capable of handling complex geometries but also the turbulence driven secondary currents. The model equations comprise advanced algebraic Reynolds stress models in conjunction with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations. In order to tackle the complex geometry of compound meandering channels, the body-fitted orthogonal coordinate system is used. The finite volume method with collocated arrangement of variables is used for discretization of the governing equations. Pressurevelocity coupling is achieved by the standard iterative SIMPLE algorithm. A central differencing scheme and upwind differencing scheme are implemented for approximation of diffusive and convective fluxes on the control volume faces respectively. A set of algebraic equations, derived after discretization, are solved with help of Stones implicit matrix solver. The model is validated against standard benchmarks on simple and compound straight channels. For the case of compound meandering channels with varying sinuosity and floodplain height, the model results are compared with the published experimental data. It is found that the present method is able to predict the mean velocity distribution, pressure and secondary flow circulations with reasonably good accuracy. In terms of engineering applications, the model is also tested to understand the importance of turbulence driven secondary currents in slightly curved channel. The development of this unique model has opened many avenues of future research such as flood risk management, the effects of trees near the bank on the flow mechanisms and prediction of pollutant transport.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Minimal models for finite particles in fluctuating hydrodynamics

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada. Fecha de lectura: 25-02-2014This thesis is devoted to the development of efficient numerical solvers for fluctuating hydrodynamics, in particular, for flows with immersed particles. In the first part of the thesis we develop numerical solvers able to work in a broad number of flow regimes with a high computational performance. To derive thermodynamically consistent set of equations in the continuum and discrete settings we have made use of the augmented Langevin formalism. This formalism predicts the form of the stochastic and thermal drift terms which should be included to satisfy the fluctuation dissipation balance. In this work the dynamic of the fluid is described by the fluctuating Navier-Stokes equations which we discretize with a finite volume method in a staggered grid. We found the staggered grid far superior to collocated grids in ensuring numerical stability for the solvers. Several numerical solvers have been developed to simulate both compressible and incompressible flows, in some cases allowing to use very large time steps thanks to the use of semi-implicit discretizations. The fluid solvers have been extended to solve the dynamics of solute particles. We have developed minimal resolution particle models based on the immersed boundary method. The fluid-particle coupling is based on a no-slip constraint which allows to capture the hydrodynamic forces from the Brownian limit to turbulence and even fast oscillating acoustic flows. All the solvers have been implemented in CUDA to run efficiently on graphical processing units (GPUs) and made available under a free software licence. In the second part of the thesis we have applied our solvers to some interesting non-trivial problems. A common characteristic of all the problems considered is the high disparity of time scales involved; only by using efficient solvers and minimal models like the ones we derived in the first part of the thesis it is possible to tackle these problems. We have studied giant concentration fluctuations whose characteristic times spans over more than 6 orders of magnitude, proving that approximate Galerkin theories though very useful present discrepancies with experimental results of up to a 50%. Acoustic forces have also been studied, showing a good agreement between numerical results and the Gor’kov predictions. More interesting, we have found that the spatial distribution for a particle immersed in an acoustic potential is given by the Gibbs-Boltzmann distributions, a result that can be explained by the time scale separation between the sound modes and the particle diffusion. As a last application we studied the polymer tumbling under shear flow. This problem is better approached by specialized solvers for the infinite Schmidt number limit, which have also been derived. We found that the dynamic of the polymer in shear flow can be described by three characteristic times related with the flow strength and the polymer interactions.Esta tesis está dedicada al desarrollo de eficientes métodos numéricos para hidrodinámica fluctuante, en particular, para flujos con partículas inmersas. En la primera parte de la tesis hemos derivado métodos numéricos capaces de trabajar en un amplio rango de regímenes con una gran rendimiento computacional. Para derivar sistemas de ecuaciones termodinámicamente consistentes tanto en la formulación continua como discreta hemos usado el formalismo de Langevin generalizado. Este formalismo predice los términos estocásticos y de drift térmico necesarios para satisfacer el balance de fluctuación disipación. En esta tesis el fluido se describe por medio de las ecuaciones de Navier-Stokes fluctuantes, las cuales son discretizadas por un método de volúmenes finitos con mallas desplazadas. Hemos encontrado que el uso de mallados desplazados es muy superior comparado con mallados colocados para garantizar la estabilidad numérica de nuestros algoritmos. Varios métodos numéricos han sido desarrollados para simular tanto flujos compresibles como incompresibles, en algunos casos permitiendo el uso de pasos de tiempo muy largos gracias al uso de técnicas de discretización semi-implícitas. Los algoritmos para las ecuaciones de Navier-Stokes han sido ampliados para poder resolver la dinámica de partículas de soluto y hemos desarrollados modelos de resolución mínima basados en el método de fronteras inmersas (immersed boundary method). El acoplo partícula fluido se basa en la condición de no deslizamiento, la cual permite capturar las fuerzas hidrodinámicas desde el límite Browniano hasta turbulencia e incluso en campos acústicos. Todos nuestros algoritmos han sido implementados en CUDA para poder ser ejecutados eficientemente en tarjetas gráficas (GPU) y han sido liberados bajo una licencia de software libre. En la segunda parte de la tesis hemos aplicado nuestros algoritmos para estudiar algunos porblemas interesantes no triviales. Una característica común de todos los problemas estudiados es la gran disparidad las escalas de tiempo involucradas; sólo por medio del uso de modelos minimalistas y métodos numéricos eficientes como los que derivamos en la primera parte de la tesis es posible abordar estos problemas. Hemos estudiado fluctuaciones gigantes de concentración, cuyos tiempos característicos recorren más de 6 ordenes de magnitud, demostrando que las teorías aproximadas de tipo Galerkin aunque increíblemente útiles pueden mostrar discrepancias con los resultados experimentales de hasta un 50%. También han sido estudiadas las fuerzas acústicas, obteniéndose un buen acuerdo entro los resultados numéricos y los predichos por la teoría de Gor’kov. Más interesante, hemos observado que la distribución espacial de una partícula en un campo acústico viene dada por la distribución de Gibbs-Boltzmann, lo cual se puede explicar por la gran diferencia entre los tiempos característicos de los modos acústicos y del movimiento difusivo de la partícula. Como última aplicación hemos estudiado el movimiento rotatorio de un polímero bajo un flujo de cizalla. Este problema se puede abordar mejor con algoritmos especializados para trabajar en el límite de número de Schmidt infinito, los cuales también hemos derivado. Se ha encontrado que es posible describir la dinámica de un polímero en un flujo de cizalla por medio de tres tiempos característicos relacionados con la intensidad del flujo y las interacciones constitutivas del polímero

Matrix-free finite-element computations at extreme scale and for challenging applications

For numerical computations based on finite element methods (FEM), it is common practice to assemble the system matrix related to the discretized system and to pass this matrix to an iterative solver. However, the assembly step can be costly and the matrix might become locally dense, e.g., in the context of high-order, high-dimensional, or strongly coupled multicomponent FEM, leading to high costs when applying the matrix due to limited bandwidth on modern CPU- and GPU-based hardware. Matrix-free algorithms are a means of accelerating FEM computations on HPC systems, by applying the effect of the system matrix without assembling it. Despite convincing arguments for matrix-free computations as a means of improving performance, their usage still tends to be an exception at the time of writing of this thesis, not least because they have not yet proven their applicability in all areas of computational science, e.g., solid mechanics. In this thesis, we further develop a state-of-the-art matrix-free framework for high-order FEM computations with focus on the preconditioning and adopt it in novel application fields. In the context of high-order FEM, we develop means of improving cache efficiency by interleaving cell loops with vector updates, which we use to increase the throughput of preconditioned conjugate gradient methods and of block smoothers based on additive Schwarz methods; we also propose an algorithm for the fast application of hanging-node constraints in 3D for up to 137 refinement configurations. We develop efficient geometric and polynomial multigrid solvers with optimized transfer operators, whose performance is experimentally investigated in detail in the context of locally refined meshes, indicating the superiority of global-coarsening algorithms. We apply the developed solvers in the context of novel stage-parallel implicit Runge–Kutta methods and demonstrate the benefit of stage–parallel solvers in decreasing the time to solution at the scaling limit. Novel challenging application fields of matrix-free computations include high-dimensional computational plasma physics, solid-state-sintering simulations with a high and dynamically changing number of strongly coupled components, and coupled multiphysics problems with evaluation and integration at arbitrary points. In the context of these fields, we detail computational challenges, propose modified versions of the standard matrix-free algorithms for high-performance computing, and discuss preconditioning-related topics. The efficiency of the derived algorithms on the node level and at extreme scales is demonstrated experimentally on SuperMUC-NG, one of Germany’s leading supercomputers, with up to 150k processes and by solving systems of up to 5 × 1012 unknowns. Such problem sizes would not be conceivable for equivalent matrix-based algorithms. The major achievements of this thesis allow to run larger simulations faster and more efficiently, enabling progress and new possibilities for a range of application fields in computational science

HERMESH : a geometrical domain composition method in computational mechanics

With this thesis we present the HERMESH method which has been classified by us as a a composition domain method. This term comes from the idea that HERMESH obtains a global solution of the problem from two independent meshes as a result of the mesh coupling. The global mesh maintains the same number of degrees of freedom as the sum of the independent meshes, which are coupled in the interfaces via new elements referred to by us as extension elements. For this reason we enunciate that the domain composition method is geometrical. The result of the global mesh is a non-conforming mesh in the interfaces between independent meshes due to these new connectivities formed with existing nodes and represented by the new extension elements. The first requirements were that the method be implicit, be valid for any partial differential equation and not imply any additional effort or loss in efficiency in the parallel performance of the code in which the method has been implemented. In our opinion, these properties constitute the main contribution in mesh coupling for the computational mechanics framework. From these requirements, we have been able to develop an automatic and topology-independent tool to compose independent meshes. The method can couple overlapping meshes with minimal intervention on the user's part. The overlapping can be partial or complete in the sense of overset meshes. The meshes can be disjoint with or without a gap between them. And we have demonstrated the flexibility of the method in the relative mesh size. In this work we present a detailed description of HERMESH which has been implemented in a high-performance computing computational mechanics code within the framework of the finite element methods. This code is called Alya. The numerical properties will be proved with different benchmark-type problems and the manufactured solution technique. Finally, the results in complex problems solved with HERMESH will be presented, clearly showing the versatility of the method.En este trabajo presentamos el metodo HERMESH al que hemos catalogado como un método de composición de dominios puesto que a partir de mallas independientes se obtiene una solución global del problema como la unión de los subproblemas que forman las mallas independientes. Como resultado, la malla global mantiene el mismo número de grados de libertad que la suma de los grados de libertad de las mallas independientes, las cuales se acoplan en las interfases internas a través de nuevos elementos a los que nos referimos como elementos de extensión. Por este motivo decimos que el método de composición de dominio es geométrico. El resultado de la malla global es una malla que no es conforme en las interfases entre las distintas mallas debido a las nuevas conectividades generadas sobre los nodos existentes. Los requerimientos de partida fueron que el método se implemente de forma implícita, sea válido para cualquier PDE y no implique ningún esfuerzo adicional ni perdida de eficiencia para el funcionamiento paralelo del código de altas prestaciones en el que ha sido implementado. Creemos que estas propiedades son las principales aportaciones de esta tesis dentro del marco de acoplamiento de mallas en mecánica computacional. A partir de estas premisas, hemos conseguido una herramienta automática e independiente de la topología para componer mallas. Es capaz de acoplar sin necesidad de intervención del usuario, mallas con solapamiento parcial o total así como mallas disjuntas con o sin "gap" entre ellas. También hemos visto que ofrece cierta flexibilidad en relación al tamaños relativos entre las mallas siendo un método válido como técnica de remallado local. Presentamos una descripción detallada de la implementación de esta técnica, llevada a cabo en un código de altas prestaciones de mecánica computacional en el contexto de elementos finitos, Alya. Se demostrarán todas las propiedades numéricas que ofrece el métodos a través de distintos problemas tipo benchmark y el método de la solución manufacturada. Finalmente se mostrarán los resultados en problemas complejos resueltos con el método HERMESH, que a su vez es una prueba de la gran flexibilidad que nos brinda

Modelling and numerical simulation of combustion and multi-phase flows using finite volume methods on unstructured meshes

The present thesis is devoted to the development and implementation of mathematical models and numerical methods in order to carry out computational simulations of complex heat and mass transfer phenomena. Several areas and topics in the field of Computational Fluid Dynamics (CFD) have been treated and covered during the development of the current thesis, specially combustion and dispersed multi-phase flows. This type of simulations requires the implementation and coupling of different physics. The numerical simulation of multiphysics phenomena is challenging due to the wide range of spatial and temporal scales which can characterize each one of the physics involved in the problem. Moreover, when solving turbulent flows, turbulence itself is a very complex physical phenomenon that can demand a huge computational effort. Hence, in order to make turbulent flow simulations computationally affordable, the turbulence should be modelled. Therefore, throughout this thesis different numerical methods and algorithms have been developed and implemented aiming to perform multiphysics simulations in turbulent flows. The first topic addressed is turbulent combustion. Chapter 2 presents a combustion model able to notably reduce the computational cost of the simulation. The model, namely the Progress-Variable (PV) model, relies on a separation of the spatio-temporal scales between the flow and the chemistry. Moreover, in order to account for the influence of the sub-grid species concentrations and energy fluctuations, the PV model is coupled to the Presumed Conditional Moment (PCM) model. Chapter 2 also shows the development of a smart load-balancing method for the evaluation of chemical reaction rates in parallel combustion simulations. Chapter 3 is devoted to dispersed multiphase flows. This type of flows are composed of a continuous phase and a dispersed phase in the form of unconnected particles or droplets. In this thesis, the Eulergian-Lagrangian approach has been selected. This type of model is the best-suited for dispersed multiphase flows with thousands or millions of particles, and with a flow regime ranging from the very dilute up to relatively dense. In Chapter 4, a new method capable of performing parallel numerical simulations using non-overlapping disconnected mesh domains with adjacent boundaries is presented. The presented algorithm stitches at each iteration independent meshes and solves them as a unique domain. Finally, Chapter 5 addresses a transversal aspect to the previously covered topics throughout the thesis. In this chapter, a self-adaptive strategy for the maximisation of the time-step for the numerical solution of convection-diffusion equations is discussed. The method is capable of determining dynamically at each iteration which is the maximum allowable time-step which assures a stable time integration. Moreover, the method also smartly modifies the temporal integration scheme in order to maximize its stability region depending on the properties of the system matrix.La present tesis està dedicada al desenvolupament e implementació de models matemàtics i mètodes numèrics amb l’objectiu de realitzar simulacions computacionals de fenòmens complexos de transferència de calor i massa. Diverses àrees i temes en el camp de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) han sigut tractats i coberts durant el desenvolupament de la present tesi, en especial, la combustió i els fluxos multi-fase dispersos. Aquest tipus de simulacions de fenòmens multi-físics es desafiant degut al gran rang d’escales espaio-temporals que poden caracteritzar cada una de les físiques involucrades en el problema. D’altra banda, quan es resolen fluxos turbulents, la pròpia turbulència ja és un fenomen físic molt complex que pot requerir un gran esforç computacional. Per tant, amb l’objectiu de fer les simulacions computacionals de fluxos turbulents computacionalment assequibles, la turbulència ha de ser modelada. Per tant, durant aquesta tesis diferents mètodes i algoritmes han sigut desenvolupats e implementats amb l’objectiu de realitzar simulacions multi-físiques en fluxos turbulents. El primer tema abordat és la combustió turbulenta. El Capítol 2 presenta un model de combustió capaç de reduir notablement el cost computacional de la simulació. El model, anomenat el model Progress-Variable (PV), està basat en la separació d’escales espaio-temporals entre el fluid i la química. A més, amb l’objectiu de tenir en compte l’influencia de les fluctuacions a nivell sub-grid d’energia i concentracions d'espècies, el model PV s’acobla amb el model Presumed Conditional Moment (PCM). El Capítol 2 també mostra el desenvolupament d’un mètode intel·ligent de balanceig de càrrega per l'avaluació de el rati de reacció químic en simulacions de combustió paral·leles. El Capítol 3 està dedicat als fluxos multi-fase dispersos. Aquest tipus de fluids estan formats per una fase continua i una fase dispersa en forma de partícules o gotes inconnexes. En aquesta tesis, l’aproximació Euleriana-Lagrangiana ha sigut la seleccionada. Aquest tipus de model és el més adequat per fluxos multi-fase dispersos amb milers o milions de partícules, i amb règims que van des del molt diluït fins al relativament dens. Al Capítol 4, es presenta un nou mètode capaç de realitzar simulacions numèriques paral·leles utilitzant malles inconnexes no solapades que tenen fronteres adjacents. L’algoritme presentat cus a cada iteració les malles independents i les resol com un únic domini. Finalment, el Capítol 5 tracta un aspecte transversal a tots els temes coberts al llarg de la tesi. En aquest capítol es discuteix una estratègia auto-adaptativa destinada a la maximització del pas de temps per a la solució numèrica d’equacions de convecció-difusió. El mètode es capaç de determinar dinàmicament a cada iteració quin és el màxim pas de temps possible que assegura una integració temporal estable. A més, el mètode també modifica de forma intel·ligent la regió d’estabilitat en funció de les propietats de la matriu del sistema.Postprint (published version

Generalized averaged Gaussian quadrature and applications

A simple numerical method for constructing the optimal generalized averaged Gaussian quadrature formulas will be presented. These formulas exist in many cases in which real positive GaussKronrod formulas do not exist, and can be used as an adequate alternative in order to estimate the error of a Gaussian rule. We also investigate the conditions under which the optimal averaged Gaussian quadrature formulas and their truncated variants are internal

MS FT-2-2 7 Orthogonal polynomials and quadrature: Theory, computation, and applications

Quadrature rules find many applications in science and engineering. Their analysis is a classical area of applied mathematics and continues to attract considerable attention. This seminar brings together speakers with expertise in a large variety of quadrature rules. It is the aim of the seminar to provide an overview of recent developments in the analysis of quadrature rules. The computation of error estimates and novel applications also are described

Computational study on the non-reacting flow in Lean Direct Injection gas turbine combustors through Eulerian-Lagrangian Large-Eddy Simulations

[ES] El principal desafío en los motores turbina de gas empleados en aviación reside en aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico manteniendo las emisiones contaminantes por debajo de las rigurosas restricciones. Ésto ha conllevado la necesidad de diseñar nuevas estrategias de inyección/combustión que operan en puntos de operación peligrosos por su cercanía al límite inferior de apagado de llama. En este contexto, el concepto Lean Direct Injection (LDI) ha emergido como una tecnología prometedora a la hora de reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos por las plantas propulsoras de los aviones de nueva generación. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivos contribuir al conocimiento de los mecanismos físicos que rigen el comportamiento de un quemador LDI y proporcionar herramientas de análisis para una profunda caracterización de las complejas estructuras de flujo de turbulento generadas en el interior de la cámara de combustión. Para ello, se ha desarrollado una metodología numérica basada en CFD capaz de modelar el flujo bifásico no reactivo en el interior de un quemador LDI académico mediante enfoques de turbulencia U-RANS y LES en un marco Euleriano-Lagrangiano. La resolución numérica de este problema multi-escala se aborda mediante la descripción completa del flujo a lo largo de todos los elementos que constituyen la maqueta experimental, incluyendo su paso por el swirler y entrada a la cámara de combustión. Ésto se lleva a cabo través de dos códigos CFD que involucran dos estrategias de mallado diferentes: una basada en algoritmos de generación y refinamiento automático de la malla (AMR) a través de CONVERGE y otra técnica de mallado estático más tradicional mediante OpenFOAM. Por un lado, se ha definido una metodología para obtener una estrategia de mallado óptima mediante el uso del AMR y se han explotado sus beneficios frente a los enfoques tradicionales de malla estática. De esta forma, se ha demostrado que la aplicabilidad de las herramientas de control de malla disponibles en CONVERGE como el refinamiento fijo (fixed embedding) y el AMR son una opción muy interesante para afrontar este tipo de problemas multi-escala. Los resultados destacan una optimización del uso de los recursos computacionales y una mayor precisión en las simulaciones realizadas con la metodología presentada. Por otro lado, el uso de herramientas CFD se ha combinado con la aplicación de técnicas de descomposición modal avanzadas (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificación numérica de los principales modos acústicos en la cámara de combustión ha demostrado el potencial de estas herramientas al permitir caracterizar las estructuras de flujo coherentes generadas como consecuencia de la rotura de los vórtices (VBB) y de los chorros fuertemente torbellinados presentes en el quemador LDI. Además, la implementación de estos procedimientos matemáticos ha permitido tanto recuperar información sobre las características de la dinámica de flujo como proporcionar un enfoque sistemático para identificar los principales mecanismos que sustentan las inestabilidades en la cámara de combustión. Finalmente, la metodología validada ha sido explotada a través de un Diseño de Experimentos (DoE) para cuantificar la influencia de los factores críticos de diseño en el flujo no reactivo. De esta manera, se ha evaluado la contribución individual de algunos parámetros funcionales (el número de palas del swirler, el ángulo de dichas palas, el ancho de la cámara de combustión y la posición axial del orificio del inyector) en los patrones del campo fluido, la distribución del tamaño de gotas del combustible líquido y la aparición de inestabilidades en la cámara de combustión a través de una matriz ortogonal L9 de Taguchi. Este estudio estadístico supone un punto de partida para posteriores estudios de inyección, atomización y combus[CA] El principal desafiament als motors turbina de gas utilitzats a la aviació resideix en augmentar l'eficiència del cicle termodinàmic mantenint les emissions contaminants per davall de les rigoroses restriccions. Aquest fet comporta la necessitat de dissenyar noves estratègies d'injecció/combustió que radiquen en punts d'operació perillosos per la seva aproximació al límit inferior d'apagat de flama. En aquest context, el concepte Lean Direct Injection (LDI) sorgeix com a eina innovadora a l'hora de reduir els òxids de nitrogen (NOx) emesos per les plantes propulsores dels avions de nova generació. Sota aquest context, aquesta tesis té com a objectius contribuir al coneixement dels mecanismes físics que regeixen el comportament d'un cremador LDI i proporcionar ferramentes d'anàlisi per a una profunda caracterització de les complexes estructures de flux turbulent generades a l'interior de la càmera de combustió. Per tal de dur-ho a terme s'ha desenvolupat una metodología numèrica basada en CFD capaç de modelar el flux bifàsic no reactiu a l'interior d'un cremador LDI acadèmic mitjançant els enfocaments de turbulència U-RANS i LES en un marc Eulerià-Lagrangià. La resolució numèrica d'aquest problema multiescala s'aborda mitjançant la resolució completa del flux al llarg de tots els elements que constitueixen la maqueta experimental, incloent el seu pas pel swirler i l'entrada a la càmera de combustió. Açò es duu a terme a través de dos codis CFD que involucren estratègies de mallat diferents: una basada en la generación automàtica de la malla i en l'algoritme de refinament adaptatiu (AMR) amb CONVERGE i l'altra que es basa en una tècnica de mallat estàtic més tradicional amb OpenFOAM. D'una banda, s'ha definit una metodologia per tal d'obtindre una estrategia de mallat òptima mitjançant l'ús de l'AMR i s'han explotat els seus beneficis front als enfocaments tradicionals de malla estàtica. D'aquesta forma, s'ha demostrat que l'aplicabilitat de les ferramente de control de malla disponibles en CONVERGE com el refinament fixe (fixed embedding) i l'AMR són una opció molt interessant per tal d'afrontar aquest tipus de problemes multiescala. Els resultats destaquen una optimització de l'ús dels recursos computacionals i una major precisió en les simulacions realitzades amb la metodologia presentada. D'altra banda, l'ús d'eines CFD s'ha combinat amb l'aplicació de tècniques de descomposició modal avançades (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificació numèrica dels principals modes acústics a la càmera de combustió ha demostrat el potencial d'aquestes ferramentes al permetre caracteritzar les estructures de flux coherents generades com a conseqüència del trencament dels vòrtex (VBB) i dels raigs fortament arremolinats presents al cremador LDI. A més, la implantació d'estos procediments matemàtics ha permès recuperar informació sobre les característiques de la dinàmica del flux i proporcionar un enfocament sistemàtic per tal d'identificar els principals mecanismes que sustenten les inestabilitats a la càmera de combustió. Finalment, la metodologia validada ha sigut explotada a traves d'un Diseny d'Experiments (DoE) per tal de quantificar la influència dels factors crítics de disseny en el flux no reactiu. D'aquesta manera, s'ha avaluat la contribución individual d'alguns paràmetres funcionals (el nombre de pales del swirler, l'angle de les pales, l'amplada de la càmera de combustió i la posició axial de l'orifici de l'injector) en els patrons del camp fluid, la distribució de la mida de gotes del combustible líquid i l'aparició d'inestabilitats en la càmera de combustió mitjançant una matriu ortogonal L9 de Taguchi. Aquest estudi estadístic és un bon punt de partida per a futurs estudis de injecció, atomització i combustió en cremadors LDI.[EN] Aeronautical gas turbine engines present the main challenge of increasing the efficiency of the cycle while keeping the pollutant emissions below stringent restrictions. This has led to the design of new injection-combustion strategies working on more risky and problematic operating points such as those close to the lean extinction limit. In this context, the Lean Direct Injection (LDI) concept has emerged as a promising technology to reduce oxides of nitrogen (NOx) for next-generation aircraft power plants In this context, this thesis aims at contributing to the knowledge of the governing physical mechanisms within an LDI burner and to provide analysis tools for a deep characterisation of such complex flows. In order to do so, a numerical CFD methodology capable of reliably modelling the 2-phase nonreacting flow in an academic LDI burner has been developed in an Eulerian-Lagrangian framework, using the U-RANS and LES turbulence approaches. The LDI combustor taken as a reference to carry out the investigation is the laboratory-scale swirled-stabilised CORIA Spray Burner. The multi-scale problem is addressed by solving the complete inlet flow path through the swirl vanes and the combustor through two different CFD codes involving two different meshing strategies: an automatic mesh generation with adaptive mesh refinement (AMR) algorithm through CONVERGE and a more traditional static meshing technique in OpenFOAM. On the one hand, a methodology to obtain an optimal mesh strategy using AMR has been defined, and its benefits against traditional fixed mesh approaches have been exploited. In this way, the applicability of grid control tools available in CONVERGE such as fixed embedding and AMR has been demonstrated to be an interesting option to face this type of multi-scale problem. The results highlight an optimisation of the use of the computational resources and better accuracy in the simulations carried out with the presented methodology. On the other hand, the use of CFD tools has been combined with the application of systematic advanced modal decomposition techniques (i.e., Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). The numerical identification of the main acoustic modes in the chamber have proved their potential when studying the characteristics of the most powerful coherent flow structures of strongly swirled jets in a LDI burner undergoing vortex breakdown (VBB). Besides, the implementation of these mathematical procedures has allowed both retrieving information about the flow dynamics features and providing a systematic approach to identify the main mechanisms that sustain instabilities in the combustor. Last, this analysis has also allowed identifying some key features of swirl spray systems such as the complex pulsating, intermittent and cyclical spatial patterns related to the Precessing Vortex Core (PVC). Finally, the validated methodology is exploited through a Design of Experiments (DoE) to quantify the influence of critical design factors on the non-reacting flow. In this way, the individual contribution of some functional parameters (namely the number of swirler vanes, the swirler vane angle, the combustion chamber width and the axial position of the nozzle tip) into both the flow field pattern, the spray size distribution and the occurrence of instabilities in the combustion chamber are evaluated throughout a Taguchi's orthogonal array L9. Such a statistical study has supposed a good starting point for subsequent studies of injection, atomisation and combustion on LDI burners.Belmar Gil, M. (2020). Computational study on the non-reacting flow in Lean Direct Injection gas turbine combustors through Eulerian-Lagrangian Large-Eddy Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159882TESI

Análisis y predicción de precipitaciones convectivas a partir del modelo mesoescalar WRF y un radiómetro de microondas multicanal (MMWR) = Analysis and forecasting of convective precipitations using WRF mesoscale and multichannel microwave radiometer (mmWR)

187 p.La presente tesis doctoral tiene como objetivo principal la mejora de la predicción de episodios convectivos o precipitaciones de gran intensidad, ya sean de nieve o granizo, a partir de dos herramientas diferentes: uso del modelo Weather Research and Forecasting (WRF) y de los datos obtenidos en medidas en continuo por un radiómetro de microondas multicanal (MMWR). Por un lado, en este trabajo se ha querido profundizar en el conocimiento de los mecanismos que producen las tormentas de nieve en la Península Ibérica y para ello se analizó un episodio convectivo invernal desarrollado en la Sierra de Guadarrama en 2011 y que dio como resultado la mejor comprensión de los mecanismos tanto a nivel sinóptico, como mesoescalar y termodinámico. Y, por otro lado, se ha trabajado en la creación de una nueva herramienta, complementaria a las ya existentes, para la toma de decisiones en la predicción de las precipitaciones de granizo en el Valle Medio del Ebro (MEV)