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     Oliva Llena, Asensio
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  • Numerical investigation of particle-fluid interaction system based on discrete element method

     Zhang, Hao
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    Esta tesis se centra en la investigación numérica de sistemas partícula-líquido basado en la técnica Discrete Element Method (DEM). La tesis consta de tres partes, en cada una de las cuales se ha acoplado el método DEM con diferentes esquemas/solucionadores en la fase fluida. En la primera parte, hemos acoplado los métodos DEM con Direct Numerical Simulation (DNS) para estudiar casos de "particle-laden turbulent flow". Se investigó numéricamente el efecto de las colisiones en el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento completamente desarrollado en un conducto cuadrado recto. Tres tamaños de partículas se consideraron con diámetros de 50, 100 y 500 micrometros. En primer lugar, el transporte de partículas por el flujo turbulento se estudió en la ausencia del efecto gravitacional. Entonces, la deposición de partículas se estudió bajo el efecto de la fuerza de gravedad normal a la pared, en el que se discutieron la influencia de la tasa de colisiones en re-suspensión de las partículas y la fase final de la distribución de partículas en el suelo del conducto, respectivamente. En la segunda parte, se ha acoplado los métodos DEM con Lattice Boltzmann Method (LBM) para estudiar la sedimentación de partículas en flujo laminar newtoniano. Un nuevo metodo combinado LBM-IBM-DEM se presentó y ha sido aplicado para modelar la sedimentación de dos partículas circulares bi-dimensionales en flujos Newtonianos incompresibles. Se estudiaron casos de sedimentación en una cavidad de una sola esfera, y sedimentación de dos partículas en un canal, las características de la velocidad de la partícula durante la sedimentación y cerca de la base fueron también examinados. En el último caso, un ejemplo numérico de sedimentación de 504 partículas fue finalmente presentado para demostrar la capacidad del método combinado. Además, se ha presentado un método "Particulate Immersed Boundary Method" (PIBM) para la simulación de flujos multifásicos partícula-fluido y ha sido evaluado en dos y tres dimensiones. En comparación con el método IBM convencional, se puede esperar con el mismo número de partículas y de malla un SpeedUp docenas de veces superior en la simulación bidimensional y cientos de veces en la simulación en tres dimensiones. Se llevaron a cabo simulaciones numéricas de la sedimentación de partículas en los flujos newtonianos basados en una combinación LBM - PIBM - DEM, mostrando que el PIBM podría capturar las características de los flujos de partículas en el líquido y fue en efecto un esquema prometedor para la solución de problemas de interacción fluido-partícula. En la última parte, se ha acoplado el método DEM con las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes (NS) para estudiar el transporte de partículas y el proceso de desgaste en la pared de una tubería. Se utilizó un caso de transporte neumático para demostrar la capacidad del modelo acoplado. Entonces se simuló el proceso de bombeo de hormigón, de donde se obtuvo la presión hidráulica y la distribución de la velocidad de la fase fluida. Se monitoreó la frecuencia de impacto de las partículas en la tubería doblada, se propuso un nuevo modelo de intensidad de colisión promediado en tiempo para investigar el proceso de desgaste del codo basado en la fuerza de impacto. Se predijo la ubicación del daño máximo desgaste por erosión en el codo. Además, se examinaron las influencias de la velocidad de pulpa, la orientación y el ángulo de curvatura del codo en la ubicación del punto de punción.

  • Numerical Simulation of Multiphase Flows: Level-Set Techniques  Open access

     Balcazar Arciniega, Nestor Vinicio
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    Ésta tesis se enfoca en el desarrollo de métodos numéricos basados en la aplicación de técnicas level-set para la Simulación Numérica Directa (DNS) de flujos interfaciales y flujos de superficie libre, con el objetivo de ser usados tanto en investigación básica como en aplicaciones industriales.Primero, el método level-set conservativo desarrollado para la captura de interfaces entre dos fluidos, es combinado con un esquema de proyección adaptado para un fluido de densidad variable, con el objetivo de simular flujos de dos fases en mallas no estructuradas. Todas las ecuaciones son discretizadas mediante una aproximación de volúmenes finitos sobre un arreglo de malla colocada. Un esquema de alto orden cuya formulación se basa en el uso de limitadores de flujo, es usado para la discretización de los términos convectivos, mientras que los flujos difusivos son calculados mediante diferencias centradas. Los gradientes son calculados mediante el método de los mínimos cuadrados, en tanto que se asume que las propiedades físicas varían suavemente en una zona estrecha alrededor de la interface con el objetivo de evitar inestabilidades numéricas. La tensión superficial es incorporada mediante el enfoque de la fuerza superficial continua. El método numérico es validado con respecto a los datos experimentales y numéricos reportados en la literatura científica.Segundo, el método level-set conservativo es aplicado en el estudio del flujo de burbujas conducidas por la gravedad. A diferencia de los casos precedentes, se aplica una condición de frontera periódica en la dirección vertical, con el objetivo de simular un canal de longitud infinita. La forma y velocidad terminal de una burbuja ascenciendo en un líquido inicialmente en reposo son calculadas y contrastadas con los resultados reportados en la literatura. Adicionalmente se estudia la interacción hidrodinámica de un par de burbujas para diferentes configuraciones, y finalmente se explora la interacción de un emjambre de burbujas ascendiendo en un canal vertical.En la tercera parte de ésta tesis, se presenta una nueva metodología para la simulación de flujos interfaciales conducidos por la tensión superficial, mediante la combinación de los métodos volume-of-fluid y level-set. La idea principal se basa en usar el método volume-of-fluid para advectar la interface, minimizando las pérdidas de masa, mientras que las propiedades geométricas de la interface se calculan a partir de una función level-set obtenida mediante un algoritmo geométrico iterativo. La propiedades geométricas así calculadas son usadas para el cómputo de la tensión superficial. El método numérico es validado mediante casos bi y tri-dimensionales bien conocidos en la literatura científica. La conservación de la masa es excelente en tanto que la precisión del método es altamente satisfactoria incluso en los casos más complejos.En la cuarta parte de ésta tesis se presenta un nuevo método level-set de múltiples marcadores. Éste método es diseñado para llevar a cabo simulaciones numéricas de partículas de fluido deformables, evitando la coalescencia numérica de las interfaces. Cada partícula de fluido es capturada por una función level-set distinta, así, diferentes interfaces pueden ser resueltas en el mismo volumen de control, evitando la coalescencia artificial y potencialmente no-física de las partículas fluidas. Por lo tanto, las burbujas (o gotas) pueden acercarce y colisionar. El algoritmo es propuesto en el contexto del método level-set conservativo, mientras que la tensión superficial se resuelve mediante una adaptación del enfoque de la fuerza superficial continua. Para su validación, se estudia el impacto conducido por la gravedad de una gota sobre una interface líquido-líquido; luego, se estudia la collisión de dos gotas con salida rebotante, y finalmente el método numérico es aplicado para la simulación de un enjambre de burbujas sin coalescencia numérica.

    This thesis aims at developing numerical methods based on level-set techniques suitable for the direct numerical simulation (DNS) of free surface and interfacial flows, in order to be used on basic research and industrial applications. First, the conservative level-set method for capturing the interface between two fluids is combined with a variable density projection scheme in order to simulate incompressible two-phase flows on unstructured meshes. All equations are discretized by using a finite-volume approximation on a collocated grid arrangement. A high order scheme based on a flux limiter formulation, is adopted for approximating the convective terms, while the diffusive fluxes are centrally differenced. Gradients are computed by the least-squares approach, whereas physical properties are assumed to vary smoothly in a narrow band around the interface to avoid numerical instabilities. Surface tension force is calculated according to the continuous surface force approach. The numerical method is validated against experimental and numerical data reported in the scientific literature. Second, the conservative level-set method is applied to study the gravity-driven bubbly flow. Unlike the cases presented in the first part, a periodic boundary condition is applied in the vertical direction, in order to mimic a channel of infinite length. The shape and terminal velocity of a single bubble which rises in a quiescent liquid are calculated and validated against experimental results reported in the literature. In addition, different initial arrangements of bubble pairs were considered to study its hydrodynamic interaction, and, finally the interaction of multiple bubbles is explored in a periodic vertical duct, allowing their coalescence. In the third part of this thesis, a new methodology is presented for simulation of surface-tension-driven interfacial flows by combining volume-of-fluid with level-set methods. The main idea is to benefit from the advantage of each strategy, which is to minimize mass loss through the volume-of-fluid method, and to keep a fine description of the interface curvature using a level-set function. With the information of the interface given by the volume-of-fluid method, a signed distance function is reconstructed following an iterative geometric algorithm, which is used to compute surface tension force. This numerical method is validated on 2D and 3D test cases well known in the scientific literature. The simulations reveal that numerical schemes afford qualitatively similar results to those obtained by the conservative level-set method. Mass conservation is shown to be excellent, while geometrical accuracy remains satisfactory even for the most complex cases involving topology changes. In the fourth part of the thesis a novel multiple marker level-set method is presented. This method is deployed to perform numerical simulation of deformable fluid particles without numerical coalescence of their interfaces, which is a problem inherent to standard interface tracking methodologies (e.g. level-set and volume of fluid). Each fluid particle is described by a separate level-set function, thus, different interfaces can be solved in the same control volume, avoiding artificial and potentially unphysical coalescence of fluid particles. Therefore, bubbles or droplets are able to approach each other closely, within the size of one grid cell, and can even collide. The proposed algorithm is developed in the context of the conservative levelset method, whereas, surface tension is modeled by the continuous surface force approach. The pressure-velocity coupling is solved by the fractional-step projection method. For validation of the proposed numerical method, the gravity-driven impact of a droplet on a liquid-liquid interface is studied; then, the binary droplet collision with bouncing outcome is examined, and finally, it is applied on simulation of gravity-driven bubbly flow in a vertical column. The study of these cases contributed to shed some light into physics present in bubble and droplet flows.

    Ésta tesis se enfoca en el desarrollo de métodos numéricos basados en la aplicación de técnicas level-set para la Simulación Numérica Directa (DNS) de flujos interfaciales y flujos de superficie libre, con el objetivo de ser usados tanto en investigación básica como en aplicaciones industriales. Primero, el método level-set conservativo desarrollado para la captura de interfaces entre dos fluidos, es combinado con un esquema de proyección adaptado para un fluido de densidad variable, con el objetivo de simular flujos de dos fases en mallas no estructuradas. Todas las ecuaciones son discretizadas mediante una aproximación de volúmenes finitos sobre un arreglo de malla colocada. Un esquema de alto orden cuya formulación se basa en el uso de limitadores de flujo, es usado para la discretización de los términos convectivos, mientras que los flujos difusivos son calculados mediante diferencias centradas. Los gradientes son calculados mediante el método de los mínimos cuadrados, en tanto que se asume que las propiedades físicas varían suavemente en una zona estrecha alrededor de la interface con el objetivo de evitar inestabilidades numéricas. La tensión superficial es incorporada mediante el enfoque de la fuerza superficial continua. El método numérico es validado con respecto a los datos experimentales y numéricos reportados en la literatura científica. Segundo, el método level-set conservativo es aplicado en el estudio del flujo de burbujas conducidas por la gravedad. A diferencia de los casos precedentes, se aplica una condición de frontera periódica en la dirección vertical, con el objetivo de simular un canal de longitud infinita. La forma y velocidad terminal de una burbuja ascenciendo en un líquido inicialmente en reposo son calculadas y contrastadas con los resultados reportados en la literatura. Adicionalmente se estudia la interacción hidrodinámica de un par de burbujas para diferentes configuraciones, y finalmente se explora la interacción de un emjambre de burbujas ascendiendo en un canal vertical. En la tercera parte de ésta tesis, se presenta una nueva metodología para la simulación de flujos interfaciales conducidos por la tensión superficial, mediante la combinación de los métodos volume-of-fluid y level-set. La idea principal se basa en usar el método volume-of-fluid para advectar la interface, minimizando las pérdidas de masa, mientras que las propiedades geométricas de la interface se calculan a partir de una función level-set obtenida mediante un algoritmo geométrico iterativo. La propiedades geométricas así calculadas son usadas para el cómputo de la tensión superficial. El método numérico es validado mediante casos bi y tri-dimensionales bien conocidos en la literatura científica. La conservación de la masa es excelente en tanto que la precisión del método es altamente satisfactoria incluso en los casos más complejos. En la cuarta parte de ésta tesis se presenta un nuevo método level-set de múltiples marcadores. Éste método es diseñado para llevar a cabo simulaciones numéricas de partículas de fluido deformables, evitando la coalescencia numérica de las interfaces. Cada partícula de fluido es capturada por una función level-set distinta, así, diferentes interfaces pueden ser resueltas en el mismo volumen de control, evitando la coalescencia artificial y potencialmente no-física de las partículas fluidas. Por lo tanto, las burbujas (o gotas) pueden acercarce y colisionar. El algoritmo es propuesto en el contexto del método level-set conservativo, mientras que la tensión superficial se resuelve mediante una adaptación del enfoque de la fuerza superficial continua. Para su validación, se estudia el impacto conducido por la gravedad de una gota sobre una interface líquido-líquido; luego, se estudia la collisión de dos gotas con salida rebotante, y finalmente el método numérico es aplicado para la simulación de un enjambre de burbujas sin coalescencia numérica.

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    Influence of rotation on the flow over cylinder at RE=5000  Open access

     Aljure Osorio, David E.; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Perez Segarra, Carlos David; Oliva Llena, Asensio
    International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements
    Presentation's date: 2014-09-19
    Presentation of work at congresses

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    On the flow past a circular cylinder from critical to super-critical Reynolds numbers: wake topology and vortex shedding  Open access

     Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Chiva Segura, Jorge; Borrell, Ricard; Oliva Llena, Asensio
    International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements
    Presentation's date: 2014-09-18
    Presentation of work at congresses

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  • Numerical simulation of multiphase immiscible flow on unstructured meshes  Open access

     Jofre Cruanyes, Lluís
    Department of Heat Engines, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar una base per a la simulació numèrica de fluids multi-fase immiscibles. Aquesta estratègia, encara que limitada per la potència computacional dels computadors actuals, és potencialment molt important, ja que la majoria de la fenomenologia d'aquests fluids sovint passa en escales temporals i especials on les tècniques experimentals no poden ser utilitzades. En particular, aquest treball es centra en desenvolupar discretitzacions numèriques aptes per a malles no-estructurades en tres dimensions (3-D). En detall, el primer capítol delimita els casos multifásics considerats al cas en que els components són fluids immiscibles. En particular, la tesi es centra en aquells casos en que dos o més fluids diferents són separats per interfases, i per tant, corresponentment anomenats fluxos separats. A més a més, un cop el tipus de flux es determinat, el capítol introdueix les característiques físiques i els models disponibles per predir el seu comportament, així com també la formulació matemàtica i les tècniques numèriques desenvolupades en aquesta tesi.El segon capítol introdueix i analitza un nou mètode ¿Volume-of-Fluid¿ (VOF) apte per a capturar interfases en malles Cartesianes i no-estructurades 3-D. El mètode reconstrueix les interfases com aproximacions ¿piecewise planar approximations¿ (PLIC) de primer i segon ordre, i advecciona els volums amb un algoritme geomètric ¿unsplit Lagrangian-Eulerian¿ (LE) basat en construïr els poliedres a partir de les velocitats dels vèrtexs de les celdes. D'aquesta manera, les situacions de sobre-solapament entre poliedres són minimitzades.Complementant el capítol anterior, el tercer proposa una estratègia de paral·lelització pel mètode VOF. L'obstacle principal és que els costos computacionals estan concentrats en les celdes de l'interfase entre fluids. En conseqüència, si la interfase no està ben distribuïda, les estratègies de ¿domain decomposition¿ (DD) resulten en distribucions de càrrega desequilibrades. Per tant, la nova estratègia està basada en un procés de balanceig de càrrega complementària a la DD. La seva eficiència en paral·lel ha sigut analitzada utilitzant fins a 1024 CPU-cores, i els resultats obtinguts mostren uns guanys respecte l'estratègia DD de fins a 12x, depenent del tamany de la interfase i de la distribució inicial.El quart capítol descriu la discretització de les equacions de Navier-Stokes per a una sola fase, per després estendre-ho al cas multi-fase. Una de les característiques més importants dels esquemes de discretització, a part de la precisió, és la seva capacitat per conservar discretament l'energia cinètica, específicament en el cas de fluxos turbulents. Per tant, aquest capítol analitza la precisió i propietats de conservació de dos esquemes de malla diferents: ¿collocated¿ i ¿staggered¿.L'extensió dels esquemes de malla aptes per els casos de una sola fase als casos multi-fase es desenvolupa en el cinquè capítol. En particular, així com en el cas de la simulació de la turbulència les tècniques numèriques han evolucionat per a preservar discretament massa, moment i energia cinètica, els esquemes de malla per a la discretització de fluxos multi-fase han evolucionat per millorar la seva estabilitat i robustesa. Per lo tant, aquest capítol presenta i analitza dos discretitzacions de malla ¿collocated¿ i ¿staggered¿ particulars, aptes per simular fluxos multi-fase, que afavoreixen la conservació discreta de massa, moment i energia cinètica.Finalment, el capítol sis simula numèricament la inestabilitat de Richtmyer-Meshkov (RM) de dos fluids immiscibles i incompressibles. Aquest capítol es una prova general dels mètodes numèrics desenvolupats al llarg de la tesi. En particular, la inestabilitat ha sigut simulada mitjançant un mètode VOF i un esquema de malla ¿staggered¿. Els resultats numèrics corresponents han demostrat la capacitat del sistema discret en obtenir bons resultats per la inestabilitat RM.

    The present thesis aims at developing a basis for the numerical simulation of multiphase flows of immiscible fluids. This approach, although limited by the computational power of the present computers, is potentially very important, since most of the physical phenomena of these flows often happen on space and time scales where experimental techniques are impossible to be utilized in practice. In particular, this research is focused on developing numerical discretizations suitable for three-dimensional (3-D) unstructured meshes. In detail, the first chapter delimits the considered multiphase flows to the case in which the components are immiscible fluids. In particular, the focus is placed on those cases where two or more continuous streams of different fluids are separated by interfaces, and hence, correspondingly named separated flows. Additionally, once the type of flow is determined, the chapter introduces the physical characteristics and the models available to predict its behavior, as well as the mathematical formulation that sustains the numerical techniques developed within this thesis. The second chapter introduces and analyzes a new geometrical Volume-of-Fluid (VOF) method for capturing interfaces on 3-D Cartesian and unstructured meshes. The method reconstructs interfaces as first- and second-order piecewise planar approximations (PLIC), and advects volumes in a single unsplit Lagrangian-Eulerian (LE) geometrical algorithm based on constructing flux polyhedrons by tracing back the Lagrangian trajectories of the cell-vertex velocities. In this way, the situations of overlapping between flux polyhedrons are minimized. Complementing the previous chapter, the third one proposes a parallelization strategy for the VOF method. The main obstacle is that the computing costs are concentrated in the interface between fluids. Consequently, if the interface is not homogeneously distributed, standard domain decomposition (DD) strategies lead to imbalanced workload distributions. Hence, the new strategy is based on a load balancing process complementary to the underlying domain decomposition. Its parallel efficiency has been analyzed using up to 1024 CPU-cores, and the results obtained show a gain with respect to the standard DD strategy up to 12x, depending on the size of the interface and the initial distribution. The fourth chapter describes the discretization of the single-phase Navier-Stokes equations to later extend it to the case of multiphase immiscible flow. One of the most important characteristics of the discretization schemes, aside from accuracy, is their capacity to discretely conserve kinetic energy, specially when solving turbulent flow. Hence, this chapter analyzes the accuracy and conservation properties of two particular collocated and staggered mesh schemes. The extension of the numerical schemes suitable for the single-phase Navier-Stokes equations to the case of multiphase immiscible flow is developed in the fifth chapter. Particularly, while the numerical techniques for the simulation of turbulent flow have evolved to discretely preserve mass, momentum and, specially, kinetic energy, the mesh schemes for the discretization of multiphase immiscible flow have evolved to improve their stability and robustness. Therefore, this chapter presents and analyzes two particular collocated and staggered mesh discretizations, able to simulate multiphase immiscible flow, which favor the discrete conservation of mass, momentum and kinetic energy. Finally, the sixth chapter numerically simulates the Richtmyer-Meshkov (RM) instability of two incompressible immiscible liquids. This chapter is a general assessment of the numerical methods developed along this thesis. In particular, the instability has been simulated by means of a VOF method and a staggered mesh scheme. The corresponding numerical results have shown the capacity of the discrete system to obtain accurate results for the RM instability.

    Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar una base per a la simulació numèrica de fluids multi-fase immiscibles. Aquesta estratègia, encara que limitada per la potència computacional dels computadors actuals, és potencialment molt important, ja que la majoria de la fenomenologia d'aquests fluids sovint passa en escales temporals i especials on les tècniques experimentals no poden ser utilitzades. En particular, aquest treball es centra en desenvolupar discretitzacions numèriques aptes per a malles no-estructurades en tres dimensions (3-D). En detall, el primer capítol delimita els casos multifásics considerats al cas en que els components són fluids immiscibles. En particular, la tesi es centra en aquells casos en que dos o més fluids diferents són separats per interfases, i per tant, corresponentment anomenats fluxos separats. A més a més, un cop el tipus de flux es determinat, el capítol introdueix les característiques físiques i els models disponibles per predir el seu comportament, així com també la formulació matemàtica i les tècniques numèriques desenvolupades en aquesta tesi. El segon capítol introdueix i analitza un nou mètode "Volume-of-Fluid" (VOF) apte per a capturar interfases en malles Cartesianes i no-estructurades 3-D. El mètode reconstrueix les interfases com aproximacions "piecewise planar approximations" (PLIC) de primer i segon ordre, i advecciona els volums amb un algoritme geomètric "unsplit Lagrangian-Eulerian" (LE) basat en construïr els poliedres a partir de les velocitats dels vèrtexs de les celdes. D'aquesta manera, les situacions de sobre-solapament entre poliedres són minimitzades. Complementant el capítol anterior, el tercer proposa una estratègia de paral·lelització pel mètode VOF. L'obstacle principal és que els costos computacionals estan concentrats en les celdes de l'interfase entre fluids. En conseqüència, si la interfase no està ben distribuïda, les estratègies de "domain decomposition" (DD) resulten en distribucions de càrrega desequilibrades. Per tant, la nova estratègia està basada en un procés de balanceig de càrrega complementària a la DD. La seva eficiència en paral·lel ha sigut analitzada utilitzant fins a 1024 CPU-cores, i els resultats obtinguts mostren uns guanys respecte l'estratègia DD de fins a 12x, depenent del tamany de la interfase i de la distribució inicial. El quart capítol descriu la discretització de les equacions de Navier-Stokes per a una sola fase, per després estendre-ho al cas multi-fase. Una de les característiques més importants dels esquemes de discretització, a part de la precisió, és la seva capacitat per conservar discretament l'energia cinètica, específicament en el cas de fluxos turbulents. Per tant, aquest capítol analitza la precisió i propietats de conservació de dos esquemes de malla diferents: "collocated" i "staggered". L'extensió dels esquemes de malla aptes per els casos de una sola fase als casos multi-fase es desenvolupa en el cinquè capítol. En particular, així com en el cas de la simulació de la turbulència les tècniques numèriques han evolucionat per a preservar discretament massa, moment i energia cinètica, els esquemes de malla per a la discretització de fluxos multi-fase han evolucionat per millorar la seva estabilitat i robustesa. Per lo tant, aquest capítol presenta i analitza dos discretitzacions de malla "collocated" i "staggered" particulars, aptes per simular fluxos multi-fase, que afavoreixen la conservació discreta de massa, moment i energia cinètica. Finalment, el capítol sis simula numèricament la inestabilitat de Richtmyer-Meshkov (RM) de dos fluids immiscibles i incompressibles. Aquest capítol es una prova general dels mètodes numèrics desenvolupats al llarg de la tesi. En particular, la inestabilitat ha sigut simulada mitjançant un mètode VOF i un esquema de malla "staggered". Els resultats numèrics corresponents han demostrat la capacitat del sistema discret en obtenir bons resultats per la inestabilitat RM.

  • Three-dimensional numerical simulation of fluid flow and heat transfer in fin-and-tube heat exchangers at different flow regimes  Open access

     Paniagua Sánchez, Leslye
    Department of Heat Engines, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    Esta tesis tiene como objetivo unificar dos ramas de trabajo dentro del Centro Tecnológico de Transferencia de Calor (CTTC). Por un lado, se ha realizado un amplio trabajo experimental durante los últimos años. Este trabajo experimental se ha complementado con modelos numéricos para el estudio de intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo. Tales modelos numéricos pueden considerarse una herramienta numérica de bajo coste empleada con propósitos de diseño principalmente. Por otro lado, los científicos que trabajan en el centro han desarrollado con éxito un código de Dinámica de Fluidos Computacionales (TermoFluids). Este código de alto rendimiento ha sido ampliamente utilizado principalmente para predecir flujos complejos de gran interés académico. La idea de unir a estas dos ramas, proviene de la necesidad de una plataforma numérica fiable con datos locales propios del flujo y de la transferencia de calor en diversas aplicaciones de intercambiadores de calor. Ser capaz de generar coeficientes locales de transferencia de calor para abastecer con datos propios los modelos existentes de bajo coste, permitirá la correcta predicción del rendimiento de dichos dispositivos.Para lograr estos objetivos, se han hecho varias contribuciones al código TermoFluids que está en continua evolución. Algunas de las mayores cuestiones que se plantean implican la generación de mallas adecuadas y asequibles, la implementación y validación de la condición de contorno periódica tridimensional y el acoplamiento de los diferentes dominios para el estudio de casos con diferentes comportamientos físicos, como desarrollo transitorio e inercia térmica. La turbulencia está presente en la mayoría de los flujos de ingeniería, y los intercambiadores de calor de evaporadores para refrigeración no son una excepción. La presencia de muchos tubos (que actúan como obstáculos para el fluido) colocados en diferentes configuraciones y el hecho de que el flujo también está confinado por aletas, crean características de flujo tridimensionales complejas que tienen generalmente régimen turbulento o en transición. Por lo tanto, se analiza la convección forzada turbulenta en una matriz de pines delimitados por paredes. simulando las grandes escalas de turbulencia y modelando las pequeñas (LES) con el fin de evaluar el desempeño de los tres modelos seleccionados, a saber WALE, QR y VMS. Los números de Reynolds establecidos para el estudio son 3000, 10000 y 30000. Algunos de los principales resultados que se incluyen son el coeficiente de presión alrededor los cilindros, el número de Nusselt promedio en las paredes y la vorticidad del flujo. La parte final de la tesis se dedica a estudiar el flujo tridimensional y los parámetros de transferencia de calor encontrados en un intercambiador de calor de tipo aleta-tubo utilizado para la refrigeración doméstica en equipos de 'no-escarcha'. Las implementaciones del código y el postproceso numéricos se validan en un caso muy similar para un intercambiador de calor con dos filas de tubos a bajos Reynolds para el cual se dispone de datos experimentales. El siguiente análisis que se presenta es una configuración típica para evaporadores 'no-escarcha' con paso de aleta doble (para el que se tiene muy poca información numérica en la literatura). Se considera el acoplamiento conjugado de la transferencia de calor convectiva entre fluido y sólido y conductiva dentro de la aleta. La influencia de algunos parámetros geométricos y de régimen de flujo se analizan con propósitos de diseño. En conclusión, las contribuciones generales de esta tesis junto con el código computacional ya existente, ha demostrado ser capaz de realizar con éxito simulaciones tridimensionales para predecir las características del flujo y los mecanismos responsables de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo.

    This thesis aims at unifying two distinct branches of work within the Heat Transfer Technological Center (CTTC). On one side, extensive experimental work has been done during the past years by the researchers of the laboratory. This experimental work has been complemented with numerical models for the calculation of fin and tube heat exchangers thermal and fluid dynamic behavior. Such numerical models can be referred to as fast numerical tool which can be used for industrial rating and design purposes. On the other hand, the scientists working at the research center have successfully developed a general purpose multi-physics Computational Fluid Dynamics (CFD) code (TermoFluids). This high performance CFD solver has been extensively used by the co-workers of the group mainly to predict complex flows of great academic interest. The idea of bringing together this two branches, comes from the necessity of a reliable numerical platform with detailed local data of the flow and heat transfer on diverse heat exchanger applications. Being able to use local heat transfer coefficients as an input on the rating and design tool will lead to affordable and accurate prediction of industrial devices performance, by which the center can propose enhanced alternatives to its industrial partners. To accomplish these goals, several contributions have been made to the existing TermoFluids software which is in continuous evolution in order to meet the competitive requirements. The most significant problematics to adequately attack this problem are analyzed and quite interesting recommendations are given. Some of the challenging arising issues involve the generation of suitable and affordable meshes, the implementation and validation of three dimensional periodic boundary condition and coupling of different domains with important adjustments for the study of cases with different flow physics like time steps and thermal development. Turbulence is present in most of engineering flows, and refrigeration evaporator heat exchangers are not an exception. The presence of many tubes (acting like bluff bodies for the flow) arranged in different configurations and the fact that the flow is also confined by fins, create complex three dimensional flow features that have usually turbulent or transition to turbulent regime. Therefore, three dimensional turbulent forced convection in a matrix of wall-bounded pins is analyzed. Large Eddy Simulations (LES) are performed in order to assess the performance of three different subgrid-scale models, namely WALE, QR and VMS. The Reynolds numbers of the study were set to 3000, 10000 and 30000. Some of the main results included are the pressure coefficient around the cylinders, the averaged Nusselt number at the endwalls and vorticity of the flow. The final part of the thesis is devoted to study the three dimensional fluid flow and conjugated heat transfer parameters encountered in a plate fin and tube heat exchanger used for no-frost refrigeration. The numerical code and post processing tools are validated with a very similar but smaller case of a heat exchanger with two rows of tubes at low Reynolds for which experimental data is available. The next analysis presented is a typical configuration for no-frost evaporators with double fin spacing (for which very few numerical data is reported in the scientific literature). Conjugated convective heat transfer in the flow field and heat conduction in the fins are coupled and considered. The influence of some geometrical and flow regime parameters is analyzed for design purposes. In conclusion, the implementations and general contributions of the present thesis together with the previous existent multi-physics computational code, has proved to be capable to perform successful top edge three dimensional simulations of the flow features and heat transfer mechanisms observed on heat exchanger devices.

    Esta tesis tiene como objetivo unificar dos ramas de trabajo dentro del Centro Tecnológico de Transferencia de Calor (CTTC). Por un lado, se ha realizado un amplio trabajo experimental durante los últimos años. Este trabajo experimental se ha complementado con modelos numéricos para el estudio de intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo. Tales modelos numéricos pueden considerarse una herramienta numérica de bajo coste empleada con propósitos de diseño principalmente. Por otro lado, los científicos que trabajan en el centro han desarrollado con éxito un código de Dinámica de Fluidos Computacionales (TermoFluids). Este código de alto rendimiento ha sido ampliamente utilizado principalmente para predecir flujos complejos de gran interés académico. La idea de unir a estas dos ramas, proviene de la necesidad de una plataforma numérica fiable con datos locales propios del flujo y de la transferencia de calor en diversas aplicaciones de intercambiadores de calor. Ser capaz de generar coeficientes locales de transferencia de calor para abastecer con datos propios los modelos existentes de bajo coste, permitirá la correcta predicción del rendimiento de dichos dispositivos. Para lograr estos objetivos, se han hecho varias contribuciones al código TermoFluids que está en continua evolución. Algunas de las mayores cuestiones que se plantean implican la generación de mallas adecuadas y asequibles, la implementación y validación de la condición de contorno periódica tridimensional y el acoplamiento de los diferentes dominios para el estudio de casos con diferentes comportamientos físicos, como desarrollo transitorio e inercia térmica. La turbulencia está presente en la mayoría de los flujos de ingeniería, y los intercambiadores de calor de evaporadores para refrigeración no son una excepción. La presencia de muchos tubos (que actúan como obstáculos para el fluido) colocados en diferentes configuraciones y el hecho de que el flujo también está confinado por aletas, crean características de flujo tridimensionales complejas que tienen generalmente régimen turbulento o en transición. Por lo tanto, se analiza la convección forzada turbulenta en una matriz de pines delimitados por paredes. simulando las grandes escalas de turbulencia y modelando las pequeñas (LES) con el fin de evaluar el desempeño de los tres modelos seleccionados, a saber WALE, QR y VMS. Los números de Reynolds establecidos para el estudio son 3000, 10000 y 30000. Algunos de los principales resultados que se incluyen son el coeficiente de presión alrededor los cilindros, el número de Nusselt promedio en las paredes y la vorticidad del flujo. La parte final de la tesis se dedica a estudiar el flujo tridimensional y los parámetros de transferencia de calor encontrados en un intercambiador de calor de tipo aleta-tubo utilizado para la refrigeración doméstica en equipos de 'no-escarcha'. Las implementaciones del código y el postproceso numéricos se validan en un caso muy similar para un intercambiador de calor con dos filas de tubos a bajos Reynolds para el cual se dispone de datos experimentales. El siguiente análisis que se presenta es una configuración típica para evaporadores 'no-escarcha' con paso de aleta doble (para el que se tiene muy poca información numérica en la literatura). Se considera el acoplamiento conjugado de la transferencia de calor convectiva entre fluido y sólido y conductiva dentro de la aleta. La influencia de algunos parámetros geométricos y de régimen de flujo se analizan con propósitos de diseño. En conclusión, las contribuciones generales de esta tesis junto con el código computacional ya existente, ha demostrado ser capaz de realizar con éxito simulaciones tridimensionales para predecir las características del flujo y los mecanismos responsables de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo

  • Numerical modeling and experimental validation of encapsulated PCM thermal energy storage tanks for concentrated solar power plants

     Galione Klot, Pedro Andres; Perez Segarra, Carlos David; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Rigola Serrano, Joaquim; Oliva Llena, Asensio
    Eurotherm Seminar
    Presentation's date: 2014-05-29
    Presentation of work at congresses

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    A numerical simulation model of thermal energy storage systems with encapsulated PCM is presented. In previous papers (Galione et al., 2011), the performance of cylindrical containers filled with PCM spheres and liquid fluids occupying the rest of the space was studied. Different charging and discharging processes were not only numerically analyzed, but also experimentally tested. Based on these numerical simulation tools for predicting the thermal and fluid dynamic behavior of these systems, new PCM tanks built in different solid filled materials and encapsulated PCMs combined into multi-layer storage with molted salt as heat transfer fluid are here presented. A virtual prototype proposed is numerically analyzed, while performance behavior is presented under different devices (charging and discharging conditions, PCMs temperatures, and multilayer configurations). The efficiency of these new configurations is also compared against conventional thermocline, showing the better option depending on cases and/or plants proposed.

  • Numerical and experimental study of a flat plate collector with honeycomb transparent insulation and overheating protection system  Open access

     Kessentini, Hamdi
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    En esta tesis se presenta un captador solar plano (FPC) con aislamiento transparente plástico (TIM ) y un sistema de protección al sobrecalentamiento de bajo coste. Este captador está destinado a suministrar calor en el rango de temperatura de 80 hasta 120°C. Un canal de ventilación es introducido por debajo del absorbedor con una compuerta térmicamente accionada mediante un sistema de resorte de tipo aleación con memoria. Este canal permite proteger el colector en condiciones de estancamiento, preservando al mismo tiempo un buen rendimiento durante el funcionamiento normal. Para este objetivo, un prototipo ha sido construido y probado experimentalmente. En paralelo, diferentes modelos numéricos se han implementado con el objetivo de predecir el comportamiento térmico de este captador. La presente tesis consta de seis capítulos detallados a continuación. En el primer capítulo, se ha realizado una revisión de la literatura con el fin de presentar el estado del arte más actual en el campo de calor solar a temperaturas medias. Esta revisión ha permitido apreciar los últimos hallazgos y desafíos clave relacionados con el tema estudiado y presentar la contribución de este trabajo al conjunto de conocimientos existentes. El segundo capítulo está dedicado a la descripción del dispositivo experimental: descripción técnica del captador, de los diferentes sensores utilizados y los procedimientos de prueba adoptadas. En el tercer capítulo, se ha implementado un modelo numérico de cálculo rápido. Este modelo está basado en la resolución de los diferentes componentes del captador por medio de una plataforma modular orientada a objetos. Pruebas experimentales de interior y exterior se han llevado a cabo y han demostrado la eficacia del sistema de sobrecalentamiento en condiciones de estancamiento. La comparación de los resultados numéricos con experimentos ha demostrado que el código puede reproducir con precisión el funcionamiento térmico del captador. Varias simulaciones paramétricas se han realizado con el fin de optimizar el diseño del captador: se han evalúado 3125 diferentes configuraciones por medio de prototipos virtuales. Los resultados han permitido proponer el diseño más prometedor del FPC con TIM de plástico capaz de trabajar a temperatura de funcionamiento de 100 °C con eficiencia prometedora. En el cuarto capítulo, los elementos más críticos del colector (canal de ventilación y cámara de aire&TIM) han sido sustituidos por objetos CFD en el código modular implementado. En las simulaciones CFD, se ha utilizado Large Eddy Simulation (LES) modelo. Las soluciones numéricas se han validado primero con casos de referencia y a continuación se han verificado los resultados del modelo general del captador por comparación con las pruebas experimentales que han mostrado buena concordancia. Este análisis preliminar ha permitido entender la transferencia de calor y dinámica de fluido a diferentes temperaturas de funcionamiento del colector estudiado.En el quinto capítulo, se ha llevado a cabo un análisis de la transferencia de calor por radiación y conducción en el aislamiento transparente de estructura alveolar. Este analisis ha sido llevada a cobo mediante de la resolución de la ecuación de energía en su forma tridimensional de forma acoplado a la ecuación de transferencia por radiación (RTE). Se ha utilizado el método de volúmenes finitos para la resolución de la RTE. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales de varios TIM dados por diferentes autores en la literatura mostrando acuerdos aceptables. Un estudio paramétrico se ha llevado a cabo para investigar el efecto de la variación de los parámetros ópticos y dimensionales más relevantes del TIM en la transferencia de calor. Finalmente, el último capítulo resume la contribución de esta tesis y presenta las posibles direcciones de investigación futura.

    In this thesis a flat plate collector (FPC) with plastic transparent insulation materials (TIM) and a low-cost overheating protection system destined for heat supply from 80 to 120°C is presented. A ventilation channel with a thermally actuated door is inserted below the absorber allowing to protect the collector from stagnation conditions, while preserving good performance during normal operation. For this objective, a prototype has been constructed and experimentally tested and in parallel, numerical and CFD models have been implemented with the aim of predicting the thermal behavior of this collector. The present thesis consists of six chapters and a brief summary of each one is given below: In the first chapter, a literature survey is carried out in order to present the most updated R&D status in the field of solar heat at medium temperatures. This literature research has allowed to appreciate the latest findings and key challenges related to the studied topic and to present the contribution of this work to the pool of existing knowledge. The second chapter is devoted to the description of the experimental set up. The problem of overheating for FPC with TIM is first pointed out and the technical description of the studied FPC is then presented. The different sensors used and the test procedures adopted during the experiments are presented. In the third chapter, a fast calculation numerical model is implemented. This model is based on the resolution of the different components of the collector by means of a modular object-oriented platform. Indoor and outdoor tests are performed and have shown the effectiveness of the overheating system being able to maintain low enough temperatures at the collector preventing thus the plastic TIM from stagnation conditions. The comparison of the numerical results with experiments has demonstrated that the code can accurately reproduce the performance of the collector. Several parametric simulations are then performed in order to optimize the collector design: 3125 different configurations are evaluated by means of virtual prototyping and the results have allowed to propose the most promising design of a stagnation proof FPC with plastic TIM able to work at operating temperature 100°C with promising efficiency. In the forth chapter, the most critical elements of the collector (ventilation channel and air gap&TIM) have been substituted by high-level CFD objects in the implemented modular object-oriented code. For the detailed numerical simulations, Large Eddy Simulations (LES) modeling is used. In order to speed-up the simulations, parallelisation techniques are used. The numerical solutions are firstly validated with benchmark cases. Then, the general model of the collector is validated by comparison of the numerical results with the indoor experimental tests showing a reasonable agreement. The preliminary CFD simulation results have allowed to understand the heat transfer and fluid flow at different operating temperatures of the studied collector. In the fifth chapter, a heat transfer analysis of the honeycomb TIM is carried out. The combined radiation and conduction heat transfer across the isolated cell is treated by means of the solution of the energy equation in its three dimensional form which is coupled to the Radiative Transfer Equation (RTE). The Finite Volume Method is used for the resolution of the RTE. The numerical results are compared to experimental measurements of the heat transfer coefficient on various honeycomb TIM given by different authors in the literature showing acceptable agreements. Finally, a parametric study is conducted in order to investigate the effect of the variation of the most relevant optical and dimensional parameters of the TIM on the heat transfer. Finally, the last chapter summarizes the contribution of this thesis and discuss the possible directions of future research.

  • Pla d'Actuació CTTC

     Oliva Llena, Asensio
    Competitive project

     Share

  • Centre Tecnològic de Transferència de Calor

     Rigola Serrano, Joaquim; Castro Gonzalez, Jesus; Oliet Casasayas, Carles; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Trias Miquel, Francesc Xavier; Colomer Rey, Guillem; Capdevila Paramio, Roser; Ablanque Mejia, Nicolas; Lehmkuhl Barba, Oriol; Carmona Muñoz, Angel; Sadurni Caballol, Alexandre; Kizildag, Deniz; Giraldez Garcia, Hector; Chiva Segura, Jorge; Baez Vidal, Aleix; Lopez Mas, Joan; Farnos Baulenas, Joan; Torras Ortiz, Santiago; Balcazar Arciniega, Nestor Vinicio; Martinez Valdivieso, Daniel; Jofre Cruanyes, Lluís; Calafell Sandiumenge, Joan; Estruch Perez, Olga; Muela Castro, Jordi; Ventosa Molina, Jordi; Aizpurua Udabe, Imanol; Schillaci, Eugenio; Favre, Federico; Zhang, Hao; Aljure Osorio, David E.; Morales Ruiz, Sergio; Borrell Pol, Ricard; Galione Klot, Pedro Andres; Dabbagh, Firas; Oyarzun Altamirano, Guillermo; Gorobets, Andrei; Oliva Llena, Asensio
    Competitive project

     Share

  • Large eddy simulation of a turbulent jet diffusion flame using unstructured meshes

     Muela Castro, Jordi; Ventosa Molina, Jordi; Lehmkuhl Barba, Oriol; Perez Segarra, Carlos David; Oliva Llena, Asensio
    Mediterranean Combustion Symposium
    Presentation's date: 2013-09
    Presentation of work at congresses

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    In this work an hydrogen enriched methane flame in a non-premixed configuration is studied, which corresponds to the DLR flame A. Large Eddy Simulation (LES) will be used to numerically analyse the case. Unstructured meshes are used and coupled with conservative discretisations of the differential operators. Chemical kinetics are modelled using the Flamelet/Progress-Variable model, taking into account differential diffusion effects. Computed first and second moments of the transported variables are shown to be in agreement with the experimental data.

  • Large eddy simulation model assessment of the turbulent flow through dynamic compressor valves

     Estruch Perez, Olga; Lehmkuhl Barba, Oriol; Rigola Serrano, Joaquim; Oliva Llena, Asensio; Perez Segarra, Carlos David
    International Conference on Compressors and Coolants
    Presentation's date: 2013-09-03
    Presentation of work at congresses

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    The present paper attempts the dynamic simulation of the fluid flow through the valve reed taking into account valve movement due to piston displacement. This work widens previous studies based on numerical experiments with static geometry and constant boundary conditions. Hence, in this work attends the newly in-house implemented CFD and moving mesh coupled code TermoFluids. The CFD solver consists of a three-dimensional explicit finite volume fractional-step algorithm formulated in a second-order, conservative and collocated unstructured grid arrangement. Large eddy simulation is performed to solve the turbulent flow, using the subgrid scale WALE model. A radial basis function interpolation procedure is used to dynamically move the mesh according with the displacement of the valve. A simplified geometry of an axial hole plus a radial diffuser with a piston based inlet condition is considered. The valve dynamics is assumed to be given by a law according modal analysis of valve reed.

  • Large-eddy simulations of turbulent flow around a wall-mounted cube using an adaptive mesh refinement approach

     Antepara Zambrano, Oscar; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio; Favre Santamaria, Federico
    European Turbulence Conference
    Presentation's date: 2013-09-04
    Presentation of work at congresses

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    In the present work two LES models for predicting turbulent flow and an Adaptive Mesh Refinement (AMR) technique are proposed and tested for a fully 3D geometry: turbulent flow around a wall-mounted cube at Reh=7235. The wall-adapting eddy viscosity model within a variational multiscale method (VMS-WALE) and the QR model are tested to predict the flow around the body. The numerical algorithm used to solve the governing equations preserves the symmetry and conservation properties. AMR algorithm is applied to get enough grid-resolution to solve the vortical structures near the body, adapting the mesh according to physics-based refinement criteria. High order conservative schemes are applied in the connection between coarse and fine regions. The numerical results obtained are assessed and compared to the results of the direct numerical simulations (DNS) on the basis of first and second order statistics.

    Postprint (author’s final draft)

  • Progress on eddy-viscosity models for LES: new differential operators and discretization methods

     Trias Miquel, Francesc Xavier; Verstappen, Roel; Gorobets, Andrei; Oliva Llena, Asensio
    European Turbulence Conference
    Presentation's date: 2013-09-04
    Presentation of work at congresses

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    The incompressible Navier-Stokes equations constitute an excellent mathematical modelization of turbulence. Unfortunately, attempts at performing direct simulations are limited to relatively low-Reynolds numbers. Therefore, dynamically less complex mathematical formulations are necessary for coarse-grain simulations. Eddy-viscosity models for Large-Eddy Simulation (LES) is an example thereof: they rely on differential operators that should be able to capture well different flow configurations (laminar and 2D flows, near-wall behavior, transitional regime...). In the present work, several differential operators are derived from the criterion that vortex-stretching mechanism must stop at the smallest grid scale. Moreover, since the discretization errors may play a n important role a novel approach to discretize the viscous term with spatially varying eddy-viscosity is used. It is based on basic operators; therefore, the implementation is straightforward even for staggered formulations.

  • Large eddy simulation of hydrogen autoignition in a preheated turbulent co-flow

     Muela Castro, Jordi; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio; Ventosa Molina, Jordi
    Mediterranean Combustion Symposium
    Presentation's date: 2013-09
    Presentation of work at congresses

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    The autoignition process of a hydrogen jet into a preheated turbulent air stream is numerically studied. A Progress-variable (PV) model with the turbulence-chemistry interactions modelled using a Presumed Conditional Moment (PCM) closure has been used. Furthermore, the same case is studied using a Finite Rates model without closure for the reaction rate. The PV-PCM model reproduces satisfactorily the physical behaviour found in the experiments, although the model tends to underpredict the autoignition length. The results of the Finite Rates model also capture accurately the autoignition phenomenology observed experimentally and the autoignition lengths are closer to those obtained in the experiment.

  • A parallel object oriented code framework for numerical simulation of reciprocating compressors - introduction of solid parts modeling

     Lopez Mas, Joan; Rigola Serrano, Joaquim; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio
    International Conference on Compressors and Their Systems
    p. 731-738
    Presentation's date: 2013-09-09
    Presentation of work at congresses

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    A partitioned coupled approach is employed to modeling a reciprocating compressor in a modular way. The approach allows the implementation of an object oriented parallel code framework for simulation of multiphysics systems in general and hermetic reciprocating compressors in particular. Several works in compressor modeling have been presented before. Those works already addressed the resolution of the fluid flow by using this code framework. Now, a new model for simulation of solid components has been developed. In this way the thermal effect of the solid parts on the working fluid can be considered as well. Some numerical results are presented to show first achievements in this research line. © The author(s) and/or their employer(s), 2013.

  • Transient and dynamic numerical simulation of the fluid flow through valves based on large eddy simulation models

     Estruch Perez, Olga; Lehmkuhl Barba, Oriol; Rigola Serrano, Joaquim; Oliva Llena, Asensio; Perez Segarra, Carlos David
    International Conference on Compressors and Their Systems
    p. 577-587
    Presentation's date: 2013-09-09
    Presentation of work at congresses

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    The present paper attempts the dynamic simulation of the fluid flow through valve reed using the in-house implemented CFD and moving mesh coupled code TermoFluids. The CFD solver is based on a parallel, second-order, conservative and unstructured finite volume discretization. Large eddy simulation is performed to solve the turbulent flow, using the subgrid scale WALE model. The moving mesh technique uses RBF interpolation. As a preliminary approach, a simplified geometry of an axial hole plus a radial diffuser with a piston based inlet condition is considered. The valve dynamics is modelled by a specific law according modal analysis of valve reed. © The author(s) and/or their employer(s), 2013.

  • Direct numerical simulation of viscoplastic-type non-Newtonian fluid flows in stenosed arteries

     Carmona Muñoz, Angel; Lehmkuhl Barba, Oriol; Perez Segarra, Carlos David; Oliva Llena, Asensio
    European Turbulence Conference
    Presentation's date: 2013-09-01
    Presentation of work at congresses

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    The aim of this work is to provide DNS solutions for turbulence flows of viscoplastic-type non-Newtonian fluids and thus contribute to gain insight into the underlying physics of the non-Newtonian turbulent flows. This knowledge may be useful, among many other things, for developing more accurate turbulence models which describe better the implicit physics of this subject. Nevertheless, from our point of view, few DNS solutions of viscoplastic-type non-Newtonian fluid flows have been provided with this objective, despite the growing presence of these kind of fluids in the field of CFD simulations.

  • Advanced CFD&HT numerical modeling of solar tower receivers

     Colomer Rey, Guillem; Chiva Segura, Jorge; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio
    Solar Power and Chemical Energy Systems Conference
    Presentation's date: 2013-09-18
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    This paper presents an advanced methodology for the detailed modeling of the heat transfer and fluid dynamics phenomena in solar tower receivers. It has been carried out in the framework of a more ambitious enterprise which aims at modeling all the complex heat transfer and fluid dynamics phenomena present in central solar receivers. The global model is composed of 4 sub-models (heat conduction, two-phase flow, thermal radiation and natural convection) which are described.

  • On the CFD&HT of the flow around a parabolic trough solar collector under real working conditions

     Amine Hachicha, Ahmed; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio
    Solar Power and Chemical Energy Systems Conference
    Presentation's date: 2013-09
    Presentation of work at congresses

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    Parabolic trough solar collector is currently one of the most mature and prominent solar applications for production of electricity. These systems are usually located in open terrain where strong winds may occur and affect their stability and optical performance, as well as, the heat exchange between the solar receiver and the ambient air. In this context, a wind flow analysis around a parabolic trough solar collector under real working conditions is performed. A numerical aerodynamic and heat transfer study based on Large Eddy Simulations is carried out to characterize the wind loads and the heat transfer coefficients. Computations are performed for two Reynolds number ReW1=3.9×10^5 and ReW2=1×10^6 and various pitch angles. The effects of wind speed and pitch angle on the averaged and instantaneous flow have been assessed. The aerodynamic coefficients are calculated around the solar collectorand validated with measurements performed in wind tunnel tests. The variation of the heat transfer coefficient around the heat collector element with the Reynolds number is presented and compared to the circular cylinder in cross flow.

  • Dynamic wall modelling for large-eddy simulation of wind turbine dedicated airfoils

     Calafell Sandiumenge, Joan; Lehmkuhl Barba, Oriol; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Oliva Llena, Asensio
    European Turbulence Conference
    Presentation's date: 2013-09
    Presentation of work at congresses

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    This work aims at modelling the flow behaviour past airfoils used for wind turbine blades at high Reynolds number and large angles of attack (AoA). A previous work has been carried out on the airfoil profiles of DU-93-W-210, DU-91-W2-250 and FX-77-W-500 with a parallel unstructured symmetry preserving formulation together with wall-adapting Local-eddy viscosity model within a variational multi-scale framework (VMS-WALE) as a subgrid-scale model. However for the FX-77-W-500 profile, a mismatch between experimental results and numerical ones has been observed for the drag coefficient. To overcome this disagreement, a dynamic wall model has been implemented in order to compute accurately the wall shear stress without increasing prohibitively the computational costs.

  • Numerical modelling of a parabolic trough solar collector  Open access

     Amine Hachicha, Ahmed
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    Las tecnologías de energía solar concentrada (CSP) están ganando cada vez más interés en la generación de electricidad debido al buen potencial para el escalemento las energías renovables a nivel de utilidad. El colector solar cillindro-parabólico (PTC) es el más económico, probado y avanzado de las diferentes tecnologías CSP. El modelado de estos dispositivos es una parte fundamental en la mejora de su diseño y rendemiento que puede representar un considerable aumento de la eficiencia global de las plantas de energía solar. En el tema demodelado y mejora del rendimiento de los PTC y sus absorbente (HCE), el estudio térmico, óptico y aerodinámico del flujo de fluidos y transferencia de calor es una herramienta importante para la optimización de la producción del parque solar y el incremento del rendimiento de la planta solar . Esta tesis se centra en la implementación de una metodología general para simular el comportamiento térmico, óptico y aerodinámico de PTCs . Se plantea una metodología para el modelado térmico de un PTC, teniendo en cuenta el flujo de calor real no uniforme en la direccion azimutal. Aunque ab initio, se consideró el método de volúmenes finitos ( FVM ) para la solución de la ecuación de transferencia radiativa , este ha sido posteriormente descartado entre otras razones debido al alto coste computacional y la incapacidad del método para tratar el tamaño angular del Sol. Para superar estos asuntos , se ha desarollado un nuevo modelo óptico. El nuevo modelo que esta basdo tanto las técnicas de FVM y de ray tracing, utiliza un enfoque numérico - geométrico para considerar el cono óptico. Se aborda el effecto de differentes factores, tales como ángulo de incidencia , la concentración geométrica y el ángulo de borde en la distribución del flujo de calor solar. La precisión del nuevo modelo se ha verificado y se ha obentido mejores resultados que el Monte Carlo Ray Tracing MCRT. Por otra parte, se ha analizado el comportamiento térmico del PTC teniendo en cuenta la distribución no uniforme de flujo solar en la direccion azimutal. Se ha desarrollado un modelo de rendimiento general basado en un balance energético sobre el HCE. Las pérdidas de calor y el rendimiento térmico se han determinado y validado con respecto a los experimentos de laboratorios de Sandia. Se muestro tambien la similitud entre el perfil de temperatura del absorbedor y del vidrio con la distribución de flujo solar. Además , se ha considerado las pérdidas de calor por convección hacia la atmósfera y el efecto del flujo de viento en la fuerza aerodinámica que actúa sobre la structura del PTC. Para ello se llevan a cabo, simulaciones numéricas detalladas basadas en Large Eddy Simulations (LES) para dos números de Reynolds de Re_W1= 3,6 10^5 y RE_ W2=1 .10^6. Estos numéros corresponden a condiciones similares de trabajo que aquellos encuentrado en las plantas solares de Eurotrough PTC. El estudio ha considerado diferentes ángulos de paso imitantdo las condiciones reales del mecanismo de seguimiento de PTC a lo largo del día . Las cargas aerodinámicas, es decir, los coeficientes de arrastre y elevación, han sido calculados y validados respecto a los mediciones realizadas en túneles de viento . Se muestra la independencia de los coeficientes aerodinámicos respecto a los números de Reynolds en los rangos estudiado. En cuanto a la transferencia de calor por convección alrededor del absorbedor, se han calculado los promediados del número de Nusselt local para los diferentes ángulos de paso y números de Reynolds y se ha analizado el efecto de la parábola en las pérdidas de calor. Por último, pero no menos importante, el análisis detallado de las furezas transitorias que actúan sobre la estructura de PTC han sido conducidas mediante espectro de potencia en varias sondas . El análisis ha detectado un aumento de la inestabilidad al mover el PTC para angulos de paso intermedios.

    Concentrated Solar Power (CSP) technologies are gaining increasing interest in electricity generation due to the good potential for scaling up renewable energy at the utility level. Parabolic trough solar collector (PTC) is economically the most proven and advanced of the various CSP technologies. The modelling of these devices is a key aspect in the improvement of their design and performances which can represent a considerable increase of the overall efficiency of solar power plants. In the subject of modelling and improving the performances of PTCs and their heat collector elements (HCEs), the thermal, optical and aerodynamic study of the fluid flow and heat transfer is a powerful tool for optimising the solar field output and increase the solar plant performance. This thesis is focused on the implementation of a general methodology able to simulate the thermal, optical and aerodynamic behaviour of PTCs. The methodology followed for the thermal modelling of a PTC, taking into account the realistic non-uniform solar heat flux in the azimuthal direction is presented. Although ab initio, the finite volume method (FVM) for solving the radiative transfer equation was considered, it has been later discarded among other reasons due to its high computational cost and the unsuitability of the method for treating the finite angular size of the Sun. To overcome these issues, a new optical model has been proposed. The new model, which is based on both the FVMand ray tracing techniques, uses a numerical-geometrical approach for considering the optic cone. The effect of different factors, such as: incident angle, geometric concentration and rim angle, on the solar heat flux distribution is addressed. The accuracy of the new model is verified and better results than the Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) model for the conditions under study are shown. Furthermore, the thermal behaviour of the PTC taking into account the nonuniform distribution of solar flux in the azimuthal direction is analysed. A general performance model based on an energy balance about the HCE is developed. Heat losses and thermal performances are determined and validated with Sandia Laboratories tests. The similarity between the temperature profile of both absorber and glass envelope and the solar flux distribution is also shown. In addition, the convection heat losses to the ambient and the effect of wind flow on the aerodynamic forces acting on the PTC structure are considered. To do this, detailed numerical simulations based on Large Eddy simulations (LES) are carried out. Simulations are performed at two Reynolds numbers of ReW1 = 3.6 × 105 and ReW2 = 1 × 106. These values corresponds to working conditions similar to those encountered in solar power plants for an Eurotrough PTC. The study has also considered different pitch angles mimicking the actual conditions of the PTC tracking mechanism along the day. Aerodynamic loads, i.e. drag and lift coefficients, are calculated and validatedwith measurements performed in wind tunnels. The indepen-dence of the aerodynamic coefficients with Reynolds numbers in the studied range is shown. Regarding the convection heat transfer taking place around the receiver, averaged local Nusselt number for the different pitch angles and Reynolds numbers have been computed and the influence of the parabola in the heat losses has been analysed. Last but not the least, the detailed analysis of the unsteady forces acting on the PTC structure has been conducted by means of the power spectra of several probes. The analysis has led to detect an increase of instabilities when moving the PTC to intermediate pitch angles. At these positions, the shear-layers formed at the sharp corners of the parabola interact shedding vortices with a high level of coherence. The coherent turbulence produces vibrations and stresses on the PTC structure which increase with the Reynolds number and eventually, might lead to structural failure under certain conditions.

  • Blending regularization and large-eddy simulation. From homogeneous isotropic turbulence to wind farm boundary layers

     Folch Flórez, David; Trias Miquel, Francesc Xavier; Gorobets, Andrei; Oliva Llena, Asensio
    European Turbulence Conference
    Presentation's date: 2013-08
    Presentation of work at congresses

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    The incompressible Navier-Stokes equations form an excellent mathematical model for turbulent flows. However, direct simulations at high Reynolds numbers are not feasible because the convective term produces far too many relevant scales of motion. Therefore, in the foreseeable future numerical simulations of turbulent flows will have to resort to models of the small scales. Large-eddy simulation (LES) and regularization models are examples thereof. In the present work, we propose to combine both approaches. Restoring the Galilean invariance of the regularization method results into an additional hyperviscosity term. This approach provides a natural blending between regularization and LES. The performance of these recent improvements will be assessed through application to homogeneous isotropic turbulence, a turbulent channel flow and a wind-farm turbulent boundary layer.

  • REtrofitting Solutions and Services for the enhancement of Energy Efficiency in Public Edification

     Oliva Llena, Asensio; Oliet Casasayas, Carles; Kizildag, Deniz; Ablanque Mejia, Nicolas; Rigola Serrano, Joaquim
    Competitive project

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  • Experimental and numerical investigation of H2O vapor absorption processes in falling film of LiBr aqueous solution in vertical tubes

     Castro Gonzalez, Jesus; Farnos Baulenas, Joan; Garcia Rivera, Eduardo; Oliva Llena, Asensio
    World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics
    Presentation's date: 2013-07-20
    Presentation of work at congresses

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    The LiBr-H2O absorption systems are used mainly in large cooling capacity applications (industry, large buildings, etc.), therefore require water from cooling towers to reject heat. However, if middle and low capacity are required (commercial and residential systems), absorption machines should be air-cooled in order to become competitive [1-4]. The absorber represents a major critical component in absorption systems and one of the key issues, in it is the combined heat and mass transfer in the absorption process. For this reason the development of mathematical models for the simulation and experimental data for the validation are always useful tools for the design and improvement of falling film vertical absorbers. A testing device has been designed and built for reproducing absorption phenomena in vertical tubes with the primary objective to obtain experimental data in LiBr-H2O vertical absorbers. The versatility of the experiment allows to obtain a wide range of data.

  • Large eddy simulation of a turbulent jet diffusion flame using the Flamelet-Progress Variable model

     Lehmkuhl Barba, Oriol; Ventosa Molina, Jordi; Perez Segarra, Carlos David; Oliva Llena, Asensio
    European Combustion Meeting
    Presentation's date: 2013-06
    Presentation of work at congresses

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    In this work an hydrogen enriched methane flame in a non-premixed configuration is studied, which corresponds to the DLR flame A. Large Eddy Simulation (LES) will be used to numerically analyse the case. Unstructured meshes are used and coupled with conservative discretisations of the differential operators. Chemical kinetics are modelled using the Flamelet/Progress-Variable model, taking into account differential diffusion effects. Computed first and second moments of the transported variables are shown to be in agreement with the experimental data.

  • Numerical simulation tools for energy efficiency in buildings. HAM transfer in facades coupled with CFD models for air distribution

     Mohan Damle, Rashmin; Lehmkuhl Barba, Oriol; Rigola Serrano, Joaquim; Oliva Llena, Asensio
    REHVA World Congress
    Presentation's date: 2013-06
    Presentation of work at congresses

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    Buildings represent a major part of the world energy requirement. The simulation of combined heat, air and moisture (HAM) and pollutant transfer in this context is important to predict the indoor air quality, along with the thermal comfort. Moreover, it is important to have appropriate levels of indoor humidity along with the room temperature as movement of water vapor through the building envelope causes a lot of harm to the building structure and reduces the quality of its thermal insulation leading to higher energy demand. The knowledge of the peak loads, temperatures, humidity levels can help to optimize the building design and therefore results in energy efficient buildings. In this work a modular object-oriented building simulation tool (NEST), capable of coupling different levels of simulation models, allowing the simulation of heat, air, moisture distribution (multizone model, envelope model, room analysis and HVAC system) is presented. The modular approach gives flexibility of choosing a model for each element and to have different levels of modeling for different elements in the system. Special attention has been focused on: the large eddy simulation turbulence models used for the room air dynamics and pollutants distribution transport and high performance parallel software. Parallelization of the building simulation is necessary if some critical processes/zones need to be modeled with more detail for reducing computational time. The main focus of this article is to couple the HAM models for the building envelope with CFD HT models with heat, moisture and pollutant transfer models for room airflow.

  • Study of the autoignition of a hydrogen jet in a turbulent co-flow of heated air using LES modelling

     Muela Castro, Jordi; Lehmkuhl Barba, Oriol; Ventosa Molina, Jordi; Oliva Llena, Asensio
    European Combustion Meeting
    Presentation's date: 2013-06
    Presentation of work at congresses

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    The autoignition process of a hydrogen jet into a preheated turbulent air stream is numerically studied. A Progress-variable model with the turbulence-chemistry interaction s modelled using a Presumed Conditional Moment (PCM) closure has been used. Furthermore, the same case is studied using a Finite Rates model without closure for the reaction rate. The PV-PCM model reproduces satisfactorily the physical behaviour found in the experiments, although the model tends to underpredict the autoignition length. The results of the Finite Rates also capture accurately the autoignition phenomenology observed experimentally and the autoignition lengths are closer to those obtained in the experiment.

  • Máquina de absorción refrigerada por aire

     Oliva Llena, Asensio; Perez Segarra, Carlos David; Rigola Serrano, Joaquim; Castro Gonzalez, Jesus; Oliet Casasayas, Carles; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Trias Miquel, Francesc Xavier; Capdevila Paramio, Roser; Alba Queipo, Ramiro; Ordoño Martinez, Manuel Miguel; Farnos Baulenas, Joan
    Date of request: 2013-06-14
    Invention patent

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  • An OpenCL-based parallel CFD code for simulations on hybrid systems with massively-parallel accelerators

     Gorobets, Andrei; Trias Miquel, Francesc Xavier; Oliva Llena, Asensio
    International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics
    p. 81-86
    Presentation's date: 2013-05-23
    Presentation of work at congresses

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  • New differential operators and discretization methods for eddy-viscosity models for LES

     Trias Miquel, Francesc Xavier; Gorobets, Andrei; Zhang, Hao; Oliva Llena, Asensio
    International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics
    p. 179-184
    Presentation's date: 2013-05-22
    Presentation of work at congresses

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    The incompressible Navier-Stokes equations constitute an excellent mathematical modelization of turbulence. Unfortunately, at- tempts at performing direct numerical simulations (DNS) are limited to relatively low-Reynolds numbers. Therefore, dynamically less complex mathematical formulations are necessary for coarse-grain simulations. Eddy-viscosity models for Large-Eddy Sim- ulation (LES) is an example thereof: they rely on differential operators that should be able to capture well different flow config- urations (laminar and 2D flows, near-wall behavior, transitional regime...). In the present work, several differential operators are derived from the criterion that vortex-stretching mechanism must stop at the smallest grid scale. Moreover, since the discretization errors may play an important role a novel approach to discretize the viscous term with spatially varying eddy-viscosity is used. It is based on basic operators; therefore, the implementation is straightforward even for staggered formulations. The performance of the proposed models will be assessed by means of direct comparison to DNS reference results.

  • Direct numerical simulation of incompressible flows on unstructured meshes using hybrid CPU/GPU supercomputers

     Oyarzun Altamirano, Guillermo; Borrell, Ricard; Gorobets, Andrei; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio
    International Conference on Parallel Computational Fluid Dynamics
    p. 87-93
    DOI: 10.1016/j.proeng.2013.07.098
    Presentation's date: 2013-05-23
    Presentation of work at congresses

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    This paper describes a hybrid MPI-CUDA parallelization strategy for the direct numerical simulation of incompressible flows using unstructured meshes. Our in-house MPI-based unstructured CFD code has been extended in order to increase its performance by means of GPU co-processors. Therefore, the main goal of this work is to take advantage of the current hybrid supercomputers to increase our computing capabilities. CUDA is used to perform the calculations on the GPU devices and MPI to handle the communications between them. The main drawback for the performance is the slowdown produced by the MPI communication episodes. Consequently, overlapping strategies, to hide MPI communication costs under GPU computations, are studied in detail with the aim to achieve scalability when executing the code on multiple nodes.

  • Flow past a NACA0012 airfoil: from laminar separation bubbles to fully stalled regime

     Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Borrell Pol, Ricard; Oliva Llena, Asensio
    ERCOFTAC Workshop on Direct and Large-Eddy Simulation
    Presentation's date: 2013-04-04
    Presentation of work at congresses

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  • Direct and large-eddy simulation of non-oberbeck-boussinesq effects in a turbulent differentially heated cavity

     Kizildag, Deniz; Trias Miquel, Francesc Xavier; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Oliva Llena, Asensio
    ERCOFTAC Workshop on Direct and Large-Eddy Simulation
    Presentation's date: 2013-04-04
    Presentation of work at congresses

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  • DRAGON - Understanding the DRAG crisis: ON the flow past a circular cylinder from critical to trans-critical Reynolds numbers

     Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Oliva Llena, Asensio; Lehmkuhl Barba, Oriol; Borrell Pol, Ricard; Chiva Segura, Jorge
    Competitive project

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  • Vortex dynamics and coherent structures in swirling flows (Cont.)

     Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Oliva Llena, Asensio; Lehmkuhl Barba, Oriol; Borrell Pol, Ricard; Baez Vidal, Aleix
    Competitive project

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  • Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in flat integrated collector storage system

     Souaihi, Oussama; Kessentini, Hamdi; Oliva Llena, Asensio; Bouden, Chiheb
    International Symposium on Computational and Experimental Investigations on Fluid Dynamics
    Presentation's date: 2013-03-19
    Presentation of work at congresses

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    The aim of this work is the numerical simulation of the heat transfer and fluid flow in flat integrated collector storage (ICS) water heater. A general numerical algorithm based on the resolution of the energy balance equations of the different elements of this solar system is developed. In order to evaluate the convective heat transfer coefficients used in the balance equations, a CFD numerical model is carried out for the simulation of the most critical elements of the studied ICS water heater (Air cavity and storage tank). The developed CFD model is a 2D object oriented code applied to structured meshes, which can handle the thermal and fluid dynamic problems in simple geometries. Finite volume second order schemes for spatial discretization and second order explicit time integration were used. The pressure-velocity linkage was solved by means of an explicit fractional step procedure. The numerical code is validated by comparison with benchmark results of closed cavities found in the literature which showed a good agreement. The general model is then used to perform simulations in order to predict the thermal behavior of the ICS system in different weather conditions and different operation modes (stagnation, draining ).

  • Acumulador de energía térmica en base a materiales de cambio de fase sólido-líquido y método de fabricación de la unidad

     Oliva Llena, Asensio; Perez Segarra, Carlos David; Rigola Serrano, Joaquim; Castro Gonzalez, Jesus; Oliet Casasayas, Carles; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Trias Miquel, Francesc Xavier; Capdevila Paramio, Roser; Alba Queipo, Ramiro; Ordoño Martinez, Manuel Miguel; Morales Ruiz, Sergio
    Date of request: 2013-03-01
    Invention patent

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  • Pla d'Actuació CTTC

     Oliva Llena, Asensio
    Competitive project

     Share

  • Q-00204

     Oliva Llena, Asensio
    Competitive project

     Share

  • Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase

     Oliva Llena, Asensio; Perez Segarra, Carlos David; Rigola Serrano, Joaquim; Castro Gonzalez, Jesus; Oliet Casasayas, Carles; Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Lehmkuhl Barba, Oriol; Trias Miquel, Francesc Xavier; Capdevila Paramio, Roser; Galione Klot, Pedro Andres
    Date of request: 2012-12-27
    Invention patent

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    Un sistema para el almacenamiento y recuperación de energía térmica empleando como medio al menos un material de cambio de fase (sólido-líquido) y un material sólido de calor sensible que se encargan de almacenar/recuperar el calor obtenido desde una fuente externa en forma de calor sensible y calor latente de cambio de fase. Dichos materiales están debidamente contenidos en un único tanque, en cuyo interior existen al menos dos zonas, cada una conteniendo un material diferente, y diferenciadas por el rango de temperaturas a las que son sometidas. La configuración más usada consiste en tres diferentes zonas configuradas al interior del tanque: zona caliente, en la parte superior del tanque, donde un material de cambio de fase encapsulado caracterizado por una temperatura de fusión alta está encerrado; zona fría, ubicada en la parte inferior, donde un material de cambio de fase con baja temperatura de fusión está colocado; y una zona media, que contiene un material sólido de calor sensible.

  • Vortex dynamics and coherent structures in swirling flows

     Rodriguez Pérez, Ivette Maria; Oliva Llena, Asensio; Lehmkuhl Barba, Oriol; Borrell Pol, Ricard; Baez Vidal, Aleix
    Competitive project

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  • Parallel algorithms for Computational Fluid Dynamics on unstructured meshes  Open access

     Borrell Pol, Ricard
    Department of Heat Engines, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    La simulació numèrica directa (DNS) de fluxos complexes és actualment una utopia per la majoria d'aplicacions industrials ja que els requeriments computacionals son massa elevats. Donat un flux, la diferència entre els recursos computacionals necessaris i els disponibles és cobreix mitjançant la modelització/simplificació d'alguns termes de les equacions originals que regeixen el seu comportament. El creixement continuat dels recursos computacionals disponibles, principalment en forma de super-ordinadors, contribueix a reduir la part del flux que és necessari aproximar. De totes maneres, obtenir la eficiència esperada dels nous super-ordinadors no és una tasca senzilla i, per aquest motiu, part de la recerca en el camp de la Mecànica de Fluids Computacional es centra en aquest objectiu. En aquest sentit, algunes contribucions s'han presentat en el marc d'aquesta tesis. El primer objectiu va ser el desenvolupament d'un codi de CFD de propòsit general i paral·lel, basat en la metodologia de volums finits en malles no estructurades, per resoldre problemes de multi-física. Aquest codi, anomenat TermoFluids (TF), té un disseny orientat a objectes i pensat per ser usat de forma altament eficient en els super-ordinadors actuals. Amb el temps, ha esdevingut pel grup una eina fonamental en projectes tant de recerca bàsica com d'interès industrial. En el context d'aquesta tesis, el treball s'ha focalitzat en el desenvolupament de dos de les llibreries més bàsiques de TermoFluids: i) La Basics Objects Library (BOL), que es una plataforma de software sobre la qual estan programades la resta de llibreries del codi, i que conté els mètodes algebraics i geomètrics fonamentals per la implementació paral·lela dels algoritmes de discretització, ii) la Linear Solvers Library (LSL), que conté un gran nombre de mètodes per resoldre els sistemes d'equacions lineals derivats de les discretitzacions. El primer capítol d'aquesta tesi conté les principals idees subjacents al disseny i la implementació de la BOL i la LSL, juntament amb alguns exemples i algunes aplicacions industrials. En els capítols posteriors hi ha una explicació detallada de solvers específics per algunes aplicacions concretes. En el segon capítol, es presenta un solver paral·lel i directe per la resolució de l'equació de Poisson per casos en els quals una de les direccions del domini té condicions d'homogeneïtat. En la simulació de fluxos incompressibles, l'equació de Poisson es resol almenys una vegada en cada pas de temps, convertint-se en una de les parts més costoses i difícils de paral·lelitzar del codi. El mètode que proposem és una combinació d'una descomposició directa de Schur (DDS) i una diagonalització de Fourier. La darrera descompon el sistema original en un conjunt de sub-sistemes 2D independents que es resolen mitjançant l'algorisme DDS. Atès que no s'imposen restriccions a les direccions no periòdiques del domini, aquest mètode és aplicable a la resolució de problemes discretitzats mitjançat l'extrusió de malles 2D no estructurades. L'escalabilitat d'aquest mètode ha estat provada amb èxit amb un màxim de 8192 CPU per malles de fins a ~10⁹ volums de control. En el darrer capitol capítol, es presenta un mètode de resolució per l'equació de Transport de Boltzmann (BTE). La estratègia emprada es basa en el mètode d'Ordenades Discretes i pot ser aplicat en discretitzacions no estructurades. El flux per a cada ordenada angular es resol amb un mètode de substitució equivalent a la resolució d'un sistema lineal triangular. La naturalesa seqüencial d'aquest procés fa de la paral·lelització de l'algoritme el principal repte. Diversos algorismes de substitució han estat analitzats, esdevenint una de les heurístiques proposades la millor opció en totes les situacions analitzades, amb excel·lents resultats. Els testos d'eficiència paral·lela s'han realitzat usant fins a 2560 CPU.

    Direct Numerical Simulation (DNS) of complex flows is currently an utopia for most of industrial applications because computational requirements are too high. For a given flow, the gap between the required and the available computing resources is covered by modeling/simplifying of some terms of the original equations. On the other hand, the continuous growth of the computing power of modern supercomputers contributes to reduce this gap, reducing hence the unresolved physics that need to be attempted with approximated models. This growth, widely relies on parallel computing technologies. However, getting the expected performance from new complex computing systems is becoming more and more difficult, and therefore part of the CFD research is focused on this goal. Regarding to it, some contributions are presented in this thesis. The first objective was to contribute to the development of a general purpose multi-physics CFD code. referred to as TermoFluids (TF). TF is programmed following the object oriented paradigm and designed to run in modern parallel computing systems. It is also intensively involved in many different projects ranging from basic research to industry applications. Besides, one of the strengths of TF is its good parallel performance demonstrated in several supercomputers. In the context of this thesis, the work was focused on the development of two of the most basic libraries that compose TF: I) the Basic Objects Library (BOL), which is a parallel unstructured CFD application programming interface, on the top of which the rest of libraries that compose TF are written, ii) the Linear Solvers Library (LSL) containing many different algorithms to solve the linear systems arising from the discretization of the equations. The first chapter of this thesis contains the main ideas underlying the design and the implementation of the BOL and LSL libraries, together with some examples and some industrial applications. A detailed description of some application-specific linear solvers included in the LSL is carried out in the following chapters. In the second chapter, a parallel direct Poisson solver restricted to problems with one uniform periodic direction is presented. The Poisson equation is solved, at least, once per time-step when modeling incompressible flows, becoming one of the most time consuming and difficult to parallelize parts of the code. The solver here proposed is a combination of a direct Schur-complement based decomposition (DSD) and a Fourier diagonalization. The latter decomposes the original system into a set of mutually independent 2D sub-systems which are solved by means of the DSD algorithm. Since no restrictions are imposed in the non-periodic directions, the overall algorithm is well-suited for solving problems discretized on extruded 2D unstructured meshes. The scalability of the solver has been successfully tested using up to 8192 CPU cores for meshes with up to 10 9 grid points. In the last chapter, a solver for the Boltzmann Transport Equation (BTE) is presented. It can be used to solve radiation phenomena interacting with flows. The solver is based on the Discrete Ordinates Method and can be applied to unstructured discretizations. The flux for each angular ordinate is swept across the computational grid, within a source iteration loop that accounts for the coupling between the different ordinates. The sequential nature of the sweep process makes the parallelization of the overall algorithm the most challenging aspect. Several parallel sweep algorithms, which represent different options of interleaving communications and calculations, are analyzed. One of the heuristics proposed consistently stands out as the best option in all the situations analyzed. With this algorithm, good scalability results have been achieved regarding both weak and strong speedup tests with up to 2560 CPUs.

  • Direct numerical simulation of the turbulent natural convection flow in an open cavity of aspect ratio 4

     Chiva Segura, Jorge; Lehmkuhl Barba, Oriol; Borrell Pol, Ricard; Oliva Llena, Asensio
    International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer
    Presentation's date: 2012-09-24
    Presentation of work at congresses

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  • Three dimensional numerical simulations of combined conduction and radiation in transparent insulation material

     Kessentini, Hamdi; Capdevila Paramio, Roser; Castro Gonzalez, Jesus; Oliva Llena, Asensio
    ISES Europe Solar Conference
    Presentation's date: 2012-09-19
    Presentation of work at congresses

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  • Access to the full text
    Numerical study of the incompressible Richtmyer-Meshkov instability. Interface tracking methods on general meshes  Open access

     Balcazar Arciniega, Nestor Vinicio; Jofre Cruanyes, Lluís; Lehmkuhl Barba, Oriol; Castro Gonzalez, Jesus; Oliva Llena, Asensio
    Conference on Modelling Fluid Flow
    p. 584-591
    Presentation's date: 2012-09-04
    Presentation of work at congresses

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    The numerical simulation of interfacial and free surface flows is a vast and interesting topic in the areas of engineering and fundamental physics, such as the study of liquid-gas interfaces, formation of droplets, bubbles and sprays, combustion problems with liquid and gas reagents, study of wave motion and others. Many different methods for interface tracking exist, but Volume-of-Fluid and Level-Set methods are two of the most important. The Volume-of-Fluid preserves mass in a natural way but requires large computational resources. On the other hand, the Level-Set is not as accurate and mass conservative as the Volume-of-Fluid but is a faster way to track interfaces, representing them by the middle contour of a signed distance function. The objective of this work is to analyze the advantatges and drawbacks of the Volume-of-Fluid and Level-Set methods by solving the incompressible two-liquid Richtmyer-Meshkov instability and to compare the results to experimental data.

  • A filtered kinetic energy preserving finite volumes scheme for compressible flows

     Baez Vidal, Aleix; Lehmkuhl Barba, Oriol; Perez Segarra, Carlos David; Oliva Llena, Asensio
    Conference on Modelling Fluid Flow
    p. 987-994
    Presentation's date: 2012-09-04
    Presentation of work at congresses

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  • Detailed numerical model for the receiver of a solar power tower plant

     Chiva Segura, Jorge; Lehmkuhl Barba, Oriol; Oliva Llena, Asensio
    Solar Power and Chemical Energy Systems Conference
    Presentation's date: 2012-09-12
    Presentation of work at congresses

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  • Access to the full text
    Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in a flat plate solar collector with TIM and ventilation channel  Open access

     Kessentini, Hamdi; Lehmkuhl Barba, Oriol; Capdevila Paramio, Roser; Castro Gonzalez, Jesus; Oliva Llena, Asensio
    ISES Europe Solar Conference
    Presentation's date: 2012-09-20
    Presentation of work at congresses

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    Flat plate solar collector with plastic transparent insulation materials and ventilation channel as overheating protection system inserted between the absorber and the back insulation has been studied numerically. First, a general object-oriented unsteady model of this solar collector is developed and presented. It allows solving, in parallel way, every component separately and interacting with its neighbors to set the boundary conditions in every time step of the simulation. Every component can be simulated using its own mesh and the number of CPUs necessary (depending on the simulation level needed). Second, the numerical simulations of the fluid flow and heat transfer by natural convection in the bottom part (ventilation channel) and the upper part (air gap + TIM) of the collector are done separately. The simulation has taken into account the different operation modes of the channel (opened at high operation temperatures and closed in normal operations). A three dimensional parallel turbulent CFD model based on Large Eddy Simulation is used in the simulations. The obtained numerical results are validated with experimental and benchmark results found in the literature.