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    Boundary layer effects on the vortex shedding in a Donaldsontype hydrofoil  Open access

     Fontanals Garcia, Alfred; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Zobeiri, Amirreza; Egusquiza Estevez, Eduardo; Farhat, Mohamed; Avellan, François
    IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems
    Presentation's date: 2014-09
    Presentation of work at congresses

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    Fluid - Structure Interaction (FSI) phenomena is becoming a relevant study field for the design or revamping of hydropower plants. The generalized trend of increasing flow rates and reducing rotor blades/stay vanes thickness in order to improve the efficiency of the machine together with a major push from plant owners/operators for production flexibility (partial load operation is more common nowadays) make the FSI between the vortex shedding phenomenon and the vanes/blades of the machine an area of interest. From a design point of view, the machine structure has to resist all the hydrodynamic forces generated and maintain tension stresses under the fatigue limit to ensure a machine lifetime of several decades. To accomplish that goal, designers have to assure there is no presence of strong coupling phenomena (lock-in) between the vortex shedding frequency and the eigenfrequencies of the structure. As the vortex street is directly related to the state of the boundary layer along the hydrofoil, in this paper the effect of the boundary layer on the vortex shedding in a Donaldson-type hydrofoil is studied using Computational Fluid Dynamics (CFD). The development of the boundary layer along the Donaldson trailing edge hydrofoil chord is presented under lock-off conditions. The results are validated against previously obtained experimental results. Since the Donaldson trailing edge is non-symmetric, the boundary layer velocity profiles are reported for the suction and pressure side of the hydrofoil. In addition, the effect of the Donaldson trailing edge on laminar-to-turbulent transition on both sides of the hydrofoil is studied.

    Fluid - Structure Interaction (FSI) phenomena is becoming a relevant study field for the design or revamping of hydropower plants. The generalized trend of increasing flow rates and reducing rotor blades/stay vanes thickness in order to improve the efficiency of the machine together with a major push from plant owners/operators for production flexibility (partial load operation is more common nowadays) make the FSI between the vortex shedding phenomenon and the vanes/blades of the machine an area of interest. From a design point of view, the machine structure has to resist all the hydrodynamic forces generated and maintain tension stresses under the fatigue limit to ensure a machine lifetime of several decades. To accomplish that goal, designers have to assure there is no presence of strong coupling phenomena (lock-in) between the vortex shedding frequency and the eigenfrequencies of the structure. As the vortex street is directly related to the state of the boundary layer along the hydrofoil, in this paper the effect of the boundary layer on the vortex shedding in a Donaldson-type hydrofoil is studied using Computational Fluid Dynamics (CFD). The development of the boundary layer along the Donaldson trailing edge hydrofoil chord is presented under lock-off conditions. The results are validated against previously obtained experimental results. Since the Donaldson trailing edge is non-symmetric, the boundary layer velocity profiles are reported for the suction and pressure side of the hydrofoil. In addition, the effect of the Donaldson trailing edge on laminar-to-turbulent transition on both sides of the hydrofoil is studied.

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    Estudio de sensibilidad de parámetros de modelos en flujos cavitantes en régimen no estacionario  Open access

     Franco Cappa, E; Moll, Flavio; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Gandolfo, Ernesto; Fontanals Garcia, Alfred; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones
    p. 93-107
    Presentation's date: 2014-09
    Presentation of work at congresses

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    La cavitación es un complejo fenómeno físico que se presenta generalmente en flujos turbulentos afectado por varios factores, como la presión del sistema y la concentración de gases no condensables disueltos. Para analizar este comportamiento se han desarrollado modelos matemáticos, algunos de los cuales se encuentran dentro de software de simulaciones comerciales. Para ser aplicados, junto con modelos de turbulencia, deben fijarse cierto número de parámetros de calibración que han sido establecidos sólo para un número reducido de tipos de flujo (geometrías simples, variables del fluido típicas, flujo no desprendido, etc.). Cuando empieza a aparecer el flujo reverso, incluso en geometrías simples, la capacidad de predecir correctamente el fenómeno de cavitación es menor y se cree que un estudio cuidadoso de sensibilidad de parámetros es útil a la hora de realizar aplicaciones de simulación a casos industriales. Este trabajo amplía resultados ya obtenidos anteriormente, estudiando en detalle los modelos de mejor comportamiento ya seleccionados, producto de la experiencia adquirida. Se busca ahora identificar la mejor combinación de parámetros a través de la comparación de resultados experimentales de flujos cavitantes, de características fuertemente no estacionarias, de típica aparición en turbomáquinas hidráulicas (TMH), extendiendo los trabajos de calibración ya realizados anteriormente. Se ha seguido utilizando geometrías simples (tipo Venturi) con el objeto de centrarse en los modelos de turbulencia y cavitación ya probados para casos estacionarios y por tener una abundante información experimental de flujos cavitantes en estas geometrías. Los trabajos de validación/calibración se llevaron a cabo comparando perfiles de velocidad del fluido, la presión en la zona cavitante y la frecuencia del ciclo de crecimiento y decrecimiento de la cavidad, entre otras variables, ajustando los coeficientes de producción/disipación de energía turbulenta y algunos parámetros típicos del modelo de flujo cavitante los que pueden influir en la exactitud y estabilidad de las predicciones numéricas.

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    Estudio del fenómeno de interacción rotor estator (RSI) en una bomba radial, trabajando fuera de las condiciones de diseño óptimo  Open access

     Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Fontanals Garcia, Alfred; Panella, L; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones
    p. 167-185
    Presentation's date: 2014-09
    Presentation of work at congresses

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    El flujo en el interior de bombas radiales de altas prestaciones es difícil de describir, (geometría compleja y variable, flujo turbulento y no estacionario). La geometría compleja implica partes tanto móviles (rotor) como fijas (estator) con álabes, separadas por un huelgo pequeño que minimiza dimensiones de la máquina y que intenta optimizar la energía entregada al flujo. Al girar la máquina, su geometría varía, cambiando las condiciones del flujo en su interior. El flujo abandona el rotor entrando en el estator, llamado también difusor, generando el fenómeno de interacción rotor estator (RSI), de gran influencia en el comportamiento de la máquina, especialmente cuando ésta opera a caudales diferentes a los de condiciones de diseño óptimo. En este caso al operar fuera de condiciones de diseño, la complejidad del flujo se incrementa por aumentos de gradientes adversos de presión sobre la capa límite y/o desprendimientos de capa límite que influencian fuertemente el comportamiento general del flujo. Ya sea que se trabaje en condiciones de diseño o fuera de diseño, la RSI da lugar a pulsos de presión con frecuencias correlacionadas a las del giro de la máquina, las que también puede producir daños, ya que esas interacciones pueden tener un impacto significativo sobre las características vibratorias (e.g. acoplamiento con frecuencias propias) o acústicas de la máquina. En todos los casos el huelgo entre rotor y estator juega un papel fundamental en la intensidad de estos pulsos. Es sabido que bajo condiciones de diseño, el estudio de la RSI mediante el uso de simulaciones numéricas (CFD) del tipo estándar, esto es, uso de un esquema numérico basado en la técnica de Reynolds Averaged Navier Stokes equations (RANS) más un modelo de cierre para la turbulencia del tipo Eddy Viscosity Model (EVM) conduce a resultados bastante aceptables, sin comprometer seriamente recursos computacionales (memoria/tiempo de cálculo). Esto es debido a que la RSI es mucho más dependiente de los efectos de variación de la geometría (efecto potencial), que de la turbulencia del flujo, a diferencia de cuando la máquina trabaja fuera de las condiciones de diseño, donde el desprendimiento de capa límite afecta mucho la RSI, siendo en este caso la descripción del flujo más difícil mediante estos modelos. Para aplicaciones industriales de CFD a bombas que trabajan fuera del punto de diseño, situación cada vez más común, se requiere describir la RSI de una forma más completa. El objetivo de este trabajo es usar modelos de cierre más complejos, del tipo Scale-Adaptative Simulations (SAS), para ver las posibilidades de aplicación al diseño de bombas, ya que las opciones del tipo Large Eddy Simulations (LES) no pueden usarse aún debido a los altos requerimientos computacionales necesarios.

  • Simulación de una turbina Francis usando un modelo de escalas adaptativas

     Fontanals Garcia, Alfred; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones
    p. 275
    Presentation's date: 2014-09
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    En el rodete de una turbina hidráulica aparecen diversos fenómenos de flujo debido a la complejidad de su geometría interna y a las condiciones de operación de la máquina. Entre estos fenómenos cabe destacar la turbulencia general del flujo, estelas y flujo desprendido, transición laminar-turbulento en la capa límite de los álabes de la corona directriz, pulsos de presión debido a la interacción rotor - estator y la vibración inducida por el flujo debido a la interacción fluido - estructura. Esta complejidad del flujo hace que la capacidad de cálculo requerida para modelar en detalle una turbina hidráulica usando dinámica de fluidos computacional (CFD) sea elevada. Durante los últimos 20 años ha habido una evolución clara tanto en el nivel de complejidad como en la precisión de los métodos numéricos y los modelos físicos utilizados en este tipo de tareas de modelado. Cada vez es más común el modelado de flujo externo con zonas de desprendimiento de flujo usando Large/Detached Eddy Simulation (LES/DES). Sin embargo, los requerimientos computacionales asociados a mallas muy finas y pasos de tiempo pequeños necesarios para resolver escalas de turbulencia muy pequeñas en flujo en capa límite hacen que estos modelos de turbulencia sean poco viables en estudios que involucren turbinas hidráulicas. Por lo anterior, el uso de un modelo de turbulencia de escalas adaptativas (SAS) puede plantearse como una solución viable en el estudio de turbinas hidráulicas. El modelo SAS es capaz de resolver estructuras con grandes escalas de turbulencia sin las restricciones de tamaño de paso de tiempo y resolución de malla que requieren los modelos LES/DES. En este trabajo se utiliza un modelo de turbulencia de escalas adaptativas en el estudio de una turbina Francis de alta carga hidráulica con tal de evaluar su desempeño en la captura de efectos de estela y efectos potenciales asociados a la interacción rotor - estator en diferentes condiciones de operación. Además, se discutirán los efectos de los parámetros de modelado (tratamiento de capa límite, algoritmos de discretización, número de Courant) en la calidad de los resultados obtenidos.

  • Estudio numérico de la interacción rotor estator en el difusor de una bomba

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Fontanals Garcia, Alfred; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo
    Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones
    p. 1155-1168
    Presentation's date: 2013-11
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  • Validación/calibración de modelos para flujos cavitantes, aplicación al diseño en ingeniería

     Gandolfo, Ernesto; Cappa, E. Franco; Moll, Flavio; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Fontanals Garcia, Alfred; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones
    p. 1135-1153
    Presentation's date: 2013-11
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  • HYDROPOWER PLANTS PERFORMANCE AND FLEXIBLE OPERATION TOWARDS LEAN INTEGRATION OF NEW RENEWABLE ENERGIES

     Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Presas Batllo, Alexandre; Castañer Rioboo, David; Valentín Ruiz, David; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Competitive project

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  • FP7-608532-HYPERBOLE - HYDROPOWER PLANTS PERFORMANCE AND FLEXIBLE OPERATION TOWARDS LEAN INTEGRATION OF NEW RENEWABLE ENERGIES

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo; Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Fontanals Garcia, Alfred; Presas Batllo, Alexandre; Valentín Ruiz, David
    Competitive project

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  • Numerical study of the vortex shedding in a Donaldson-type hydrofoil

     Fontanals Garcia, Alfred; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Zobeiri, Amirreza; Egusquiza Estevez, Eduardo; Farhat, Mohamed; Avellan, François
    IAHR International Workshop on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery
    p. 21
    Presentation's date: 2013-09-09
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  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivoes - Informe preliminar # 6

     Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2013-05-10
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de las bocas de toma de los Grupos 1 (cota 201.5 m) y 2 (cota 197.5 m) en el A.H. Daivões para diversos caudales de turbinación

  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivoes - Informe preliminar # 7

     Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2013-05-30
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de las bocas de toma en el A.H. Tâmega para el 100 % (100 m3/s) y 40 % (40 m3/s) del caudal máximo de turbinación y nivel de superficie libre en cota 312 m

  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivoes - Informe preliminar # 5

     Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2013-05-01
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de una boca de toma en el A.H. Tâmega para el 100 % (100 m3/s) y 40 % (40 m3/s) del caudal máximo de turbinación y nivel de superficie libre en cota 312 m.

  • Evaluation of physical properties on a supercritical tertiary mixture using CFD

     Mekala, Samuel Jedidiah; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles
    Conference on Supercritical Fluids and Their Applications
    p. 451-460
    Presentation's date: 2013-05
    Presentation of work at congresses

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  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivões - Informe preliminar # 4

     Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2013-04-28
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de la boca de toma OPTIMIZADA del Grupo 1 (cota 201.5 m) en el A.H. Daivões para el 100 % (110 m3/s) del caudal máximo de turbinación y cotas de almacenamiento en embalse 219 y 223 m.

  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivões - Informe preliminar # 2

     Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2013-04-01
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de la boca de toma del Grupo 1 (cota 201.5 m) en el A.H. Daivões para el 100 % (110 m3/s) y 40 % (44 m3/s) del caudal máximo de turbinación.

  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivões - Informe preliminar # 3

     Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2013-04-20
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de la boca de toma del Grupo 1 (cota 201.5 m) en el A.H. Daivões para el 100 % (110 m3/s) y 40 % (44 m3/s) del caudal máximo de turbinación

  • Análisis y diseño de la geometría de las obras de toma y rejas de entrada en los A.H. de alto Tâmega y Daivões - Informe preliminar # 1

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo; Hernando Matellano, Félix; Chacón Llorente, Rafael; de la Torre Abietar, Luis; López Nieto, Javier
    Date: 2013-03-05
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    Resultados preliminares obtenidos para las simulaciones de flujo a través de la boca de toma del Grupo 1 (cota 201.5 m) en el A.H. Daivões para el 100 % (110 m3/s) y 40 % (44 m3/s) del caudal máximo de turbinación.

  • Caracterització del flux a causa de la interacció rotor-estator en turbomàquines mitjançant CFD  Open access

     Fontanals Garcia, Alfred
    Department of Fluid Mechanics, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    A les turbomàquines pot haver una forta interacció entre els àleps del rodet i les directrius del difusor que afecten ladinàmica del flux i el rendiment estructural de les màquines. Aquest fenomen s¿anomena interacció rotor-estator (RSI), i teuna gran influencia en el comportament de la màquina. Aquestes interaccions tenen impacte significant en lescaracterístiques de les vibracions i de l¿acústica de la màquina i en algunes ocasions aquestes interaccions han portat a lafallada de l¿àlep o la directriu.Les inestabilitats i la turbulència juguen un paper fonamental en el RSI i l¿ús de la dinàmica de fluids computacional (CFD)s¿ha convertit en un requeriment habitual en el disseny de turbomàquines degut a la dificultat i elevat cost del¿experimentació necessària per identificar el fenomen RSI. Actualment els anàlisis de CFD basats en les equacions deNavier-Stokes amb mitjanes de Reynolds (RANS) i un model acoblat de viscositat de turbulència de remolí (EVM), es utilitzathabitualment en el disseny de turbomàquines. Per tant l¿elecció de un model de turbulència i del tractament de capa límitapropiat es lluny de ser trivial, donat que un modelat adequat de la turbulència te un paper important per la obtenció de bonsresultats en CFD.Per un millor coneixement del fenomen RSI, en la primera part d¿aquest treball es realitza amb CFD un estudi no estacionaridel flux sobre perfils aïllats, amb l¿objectiu de determinar les habilitats dels models RANS en determinar les característiquesdel flux a la capa límit i el deixant. Es determinen numèricament les velocitats, les fluctuacions de velocitat i les freqüènciesdel despreniment de vòrtex en el deixant en quatre perfils, comparant els resultats obtinguts amb resultats experimentals.Amb l¿objectiu de poder conèixer millor la interacció RSI produïda per el moviment dels deixants del rotor sobre la capa límitde l¿estator, en una segona part d¿aquest treball, s¿estudia amb CFD una cascada lineal d¿àleps desplaçant-se davant unaplaca plana. Es determinen les velocitats i les fluctuacions de velocitat a la capa límit, així com les freqüènciesrepresentatives de la interacció RSI sobre la placa, quan el sistema treballa a condicions de disseny i fora de condicions dedisseny, i es comparen els resultats obtinguts amb resultats experimentals.Com a objectiu final es modela amb CFD una bomba centrífuga amb difusor, amb un rodet amb alta càrrega d¿àleps.Aquesta màquina s¿estudia treballant a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, amb l¿objectiu de conèixer elcomplicat patró del flux que es produeix en aquest tipus de bomba. S¿han determinat les fluctuacions de pressió degudes ala interacció entre el rodet i el difusor de la bomba, així com les seves freqüències característiques. Els resultats numèricsde CFD son comparats amb resultats experimentals.Barcelona 3-

    A les turbomàquines pot haver una forta interacció entre els àleps del rodet i les directrius del difusor que afecten la dinàmica del flux i el rendiment estructural de les màquines. Aquest fenomen s’anomena interacció rotor-estator (RSI), i te una gran influencia en el comportament de la màquina. Aquestes interaccions tenen impacte significant en les característiques de les vibracions i de l’acústica de la màquina i en algunes ocasions aquestes interaccions han portat a la fallada de l’àlep o la directriu. Les inestabilitats i la turbulència juguen un paper fonamental en el RSI i l’ús de la dinàmica de fluids computacional (CFD) s’ha convertit en un requeriment habitual en el disseny de turbomàquines degut a la dificultat i elevat cost de l’experimentació necessària per identificar el fenomen RSI. Actualment els anàlisis de CFD basats en les equacions de Navier-Stokes amb mitjanes de Reynolds (RANS) i un model acoblat de viscositat de turbulència de remolí (EVM), es utilitzat habitualment en el disseny de turbomàquines. Per tant l’elecció de un model de turbulència i del tractament de capa límit apropiat es lluny de ser trivial, donat que un modelat adequat de la turbulència te un paper important per la obtenció de bons resultats en CFD. Per un millor coneixement del fenomen RSI, en la primera part d’aquest treball es realitza amb CFD un estudi no estacionari del flux sobre perfils aïllats, amb l’objectiu de determinar les habilitats dels models RANS en determinar les característiques del flux a la capa límit i el deixant. Es determinen numèricament les velocitats, les fluctuacions de velocitat i les freqüències del despreniment de vòrtex en el deixant en quatre perfils, comparant els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Amb l’objectiu de poder conèixer millor la interacció RSI produïda per el moviment dels deixants del rotor sobre la capa límit de l’estator, en una segona part d’aquest treball, s’estudia amb CFD una cascada lineal d’àleps desplaçant-se davant una placa plana. Es determinen les velocitats i les fluctuacions de velocitat a la capa límit, així com les freqüències representatives de la interacció RSI sobre la placa, quan el sistema treballa a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, i es comparen els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Com a objectiu final es modela amb CFD una bomba centrífuga amb difusor, amb un rodet amb alta càrrega d’àleps. Aquesta màquina s’estudia treballant a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, amb l’objectiu de conèixer el complicat patró del flux que es produeix en aquest tipus de bomba. S’han determinat les fluctuacions de pressió degudes a la interacció entre el rodet i el difusor de la bomba, així com les seves freqüències característiques. Els resultats numèrics de CFD son comparats amb resultats experimentals.

    In turbomachinery, a strong interaction between the impeller blades and the diffuser vanes may occur. This interaction affects the flow dynamics and the structural performance of the machine. This phenomenon is called rotor–stator interaction (RSI), and it has a significant impact on the characteristics of the vibrations and noise of the machine, and in some cases these interactions have led to the failure of the blades or vanes. Instabilities and turbulence play a fundamental role in the RSI and the use of computational fluid dynamics (CFD) has become a standard in the design of turbomachinery due to the difficulty and high cost of experimentation necessary to identify the RSI phenomenon. Currently CFD analysis based on the Navier-Stokes Reynolds Averaging (RANS) and a coupled model of turbulent eddy viscosity (EVM) is commonly used in the design of turbomachinery. Therefore the choice of a turbulence model and the appropriate treatment of the boundary layer is far from trivial, because a suitable turbulence model is primordial for obtaining accurate numerical results using CFD. For a better understanding of the RSI phenomenon, a CFD study on unsteady flow around isolated foils is presented, aiming to benchmark the capabilities of several turbulence models predicting the boundary layer and wake flow characteristics. Flow velocities, velocity fluctuations and vortex shedding frequency in the wake are numerically estimated for four different profiles, and these results are validated against experimental results. In order to gain insight on how the RSI generated by the wakes of moving rotor blades affect the stator vanes boundary layer flow, a numerical study of a linear cascade of blades moving in front of a flat plate is presented. Flow velocity and velocity fluctuations in the plate’s boundary layer and the RSI characteristic frequencies are studied for design and off-design operating conditions. The final chapters of the thesis deal with the modeling of a high blade load centrifugal pump with diffuser. Complex flow patterns within the machine are analyzed by means of CFD in design and offdesign conditions. Pressure fluctuations generated as a result of RSI between the impeller and the diffuser are obtained, as well as the characteristic RSI frequencies. An experimental data set is used to validate the numerical results.

  • Análisis de la interacción fluido-estructura en perfiles hidrúlicos de baja vorticidad y su efecto en la respuesta dinámica

     Fontanals Garcia, Alfred; Presas Batllo, Alexandre; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Castañer Rioboo, David; Jou Santacreu, Esteban; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Competitive project

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  • DPI2012-36264 - Análisis de la interacción fluido-estructura en perfiles hidrúlicos de baja vorticidad y su efecto en la respuesta dinámica

     Egusquiza Estevez, Eduardo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Escaler Puigoriol, Francesc Xavier; Jou Santacreu, Esteban; Fontanals Garcia, Alfred; Presas Batllo, Alexandre; Valentín Ruiz, David
    Competitive project

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    Optimización de un banco de ensayos de cavitación mediante fluidodinámica computacional  Open access

     Moll, Flavio; Manuele, Diego; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Cappa, E. Franco; Gandolfo, Ernesto; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Fontanals Garcia, Alfred
    Congreso de Mecánica Computacional
    p. 3661-3676
    Presentation's date: 2012-11
    Presentation of work at congresses

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    Los flujos cavitantes se corresponden a una estructura bifásica (líquido-vapor) cuando la presión del líquido disminuye hasta su presión de vapor, pv. La aparición y el posterior colapso de cavidades de vapor cerca de paredes sólidas, generan pulsos de presión de alta frecuencia que ocasionan la falla por fatiga del material sólido, y pérdida de rendimiento y daño mecánico en turbomáquinas. Experimentos que identifican el patrón de flujos cavitantes muestran que el estado de cavitación desarrollada puede tener diferentes estructuras no estacionarias, en algunos casos del tipo periódica. Éstas dependen de su estado fluidodinámico, siendo algunas de ellas más agresivas desde el punto de vista del daño por cavitación. Relacionados con el daño por cavitación en materiales, existen montajes experimentales orientados a estudios que implican la búsqueda y/o desarrollo de materiales resistentes al daño por cavitación. Debido al alto costo de los experimentos en bancos hidrodinámicos, es de interés evaluar las condiciones óptimas de cavitación que maximicen el daño en probetas de materiales resistentes a este fenómeno. Esto puede hacerse mediante modelado numérico (CFD), ya que es posible caracterizar el tipo de estructura que posee la zona de vaporización/colapso de las burbujas en estos dispositivos de ensayo, aunque este tipo de flujo muestra una gran complejidad en su modelado, debido a que se debe tener en cuenta el estado bifásico y turbulento del flujo. El objetivo de este trabajo ha sido contribuir mediante el uso de CFD a la optimización del diseño de un banco de ensayos hidrodinámico actualmente en construcción, para el ensayo de probetas de diversos aleaciones de materiales que se usarán para recargue de álabes de turbinas. Se necesita garantizar que existan mecanismos de cavitación lo más agresivos posibles en el dispositivo de ensayo en donde se insertarán las probetas de cara a minimizar los tiempos de ensayo, que son del orden de 150 horas. El estudio mediante CFD se ha hecho aplicando diferentes modelos para la cavitación y para la turbulencia, utilizando los estudios de validación y de sensibilidad a parámetros de los submodelos ya realizados en un trabajo previo al presente trabajo.

  • Utilització de toveres d¿Efecte Coanda per a la ventilació horitzontal de dobles façanes envidrades

     Valentín Ruiz, David; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2012-10-15
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  • Using CFD to estimate external mass transfer coefficients and intra-particle diffusional effects on the supercritical hydrogenation of sunflower oil

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Ramirez Rangel, Eliana; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Recasens Baxarias, Francisco-javier
    DOI: 10.2174/97816080529501120101
    Date of publication: 2012-09-02
    Book chapter

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    Hydrogenation of vegetable oils is an important process in the food industry because of its widespread application to produce margarines, shortenings, and other food components. Supercritical technology has proven to be a reliable alternative to conventional hydrogenation process because not only the trans isomer levels can be reduced, but also offers a clean, economic and environmental friendly process. Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling applied to the supercritical hydrogenation reaction can be useful in visualizing and understanding the mass transfer phenomena involved. CFD is applied to the study of the catalytic hydrogenation of sunflower oil in the presence of a supercritical solvent. A mix of sunflower oil, hydrogen and supercritical propane (used as a solvent) is the flowing fluid. Their transport properties at high pressure are incorporated within a CFD commercial code in order to estimate them online within the simulation process. A 2D CFD model of a single Pd-based catalyst pellet is presented. Intra-particle and surface concentration profiles and surface mass fluxes for all species present in the mixture (oil triglycerides and hydrogen) are obtained and compared against experimental results. Different temperatures, flow velocities and particle sizes are studied and external and internal mass transfer phenomena are analyzed. External mass transfer coefficients for hydrogen and oil triglycerides are obtained and a correlation for estimating them is presented.

  • Detached eddy simulation of the rotor-stator interaction phenomenon in a moving cascade of airfoils

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Fontanals Garcia, Alfred; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Egusquiza Estevez, Eduardo
    IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems
    DOI: doi:10.1088/1755-1315/15/6/062039
    Presentation's date: 2012-08-23
    Presentation of work at congresses

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  • Estudi en 2D de toveres per a la ventilació horitzontal de dobles façanes envidrades

     Valentín Ruiz, David; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2012-03-20
    Report

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  • Access to the full text
    Caracterización del tipo de cavitación mediante dinámica computacional de fluidos para posteriores aplicaciones al estudio experimental del daño por cavitación  Open access

     Moll, Flavio; Manuele, Diego; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Fontanals Garcia, Alfred
    Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones
    p. 435-450
    Presentation's date: 2011-11-03
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    La cavitación se corresponde a una estructura bifásica (líquido-vapor) cuando la presión del líquido disminuye hasta su presión de vapor, pv. Esta disminución de pv puede deberse a diversos factores relacionados con la hidrodinámica del flujo y las propiedades físicas del fluido, pudiendo presentar diferentes características. En la cavitación hidrodinámica, pueden distinguirse efectos que pueden producir un acoplamiento fluido-estructura (lock-in) que puede favorecen la falla del material, sólido que confina al fluido, lo que conduce a la pérdida de rendimiento y daño mecánico en turbomáquinas. Los ensayos experimentales muestran que el estado de cavitación desarrollada puede tener diferentes estructuras, (e.g. de burbujas, de lámina, supercavitación, etc.), siendo algunas de ellas de tipo periódica. Estas estructuras dependen del estado fluidodinámico del flujo, siendo algunas de ellas más agresivas desde el punto de vista del daño por cavitación. Debido al costo de los experimentos, es de interés evaluar si mediante dinámica computacional de fluidos (CFD) se puede caracterizar el tipo de estructura que posee la zona de vaporización/colapso de las burbujas en diferentes dispositivos hidrodinámicos. Este tipo de flujo muestra una gran complejidad ya que deben tenerse en cuenta el estado bifásico y turbulento del flujo. El objetivo de este trabajo es demostrar si es posible caracterizar mediante CFD el tipo de estructura que se presenta cuando hay cavitación desarrollada, utilizando datos experimentales para una configuración de flujo sobre un escalón, probándose primero las aproximaciones que se obtienen mediante CFD. Se estudia la validación y la sensibilidad a parámetros de modelado con el objetivo de aplicar el conocimiento adquirido a la optimización del diseño de probetas que se insertarán en un banco de ensayos hidrodinámico para la comprobación de la resistencia al daño por cavitación de distintos materiales. Se identifican parámetros que permitan reproducir las condiciones de cavitación más agresiva con el objeto de reducir los tiempos de ensayo.

  • Fluid-structure interaction in submerged structures

     Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Egusquiza Estevez, Eduardo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Huang, Xingxing
    International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering
    Presentation's date: 2011-06-22
    Presentation of work at congresses

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  • Obtención de biodiesel con metanol comprimido y dióxido de carbono como cosolvente utilizando una resina ácida¿

     Santana Scotelari de Souza, Aline; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Recasens Baxarias, Francisco-javier; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles
    Reunión de Expertos en Tecnologías de Fluidos Comprimidos
    p. 24
    Presentation's date: 2011-06-15
    Presentation of work at congresses

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  • Access to the full text
    Numerical study of the fluid-structure interaction in the diffuser passage of a centrifugal pump  Open access

     Fontanals Garcia, Alfred; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Egusquiza Estevez, Eduardo
    International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering
    p. 1-10
    Presentation's date: 2011-06-22
    Presentation of work at congresses

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    Reliable design of turbomachinery is a complex task. In order to gain overall efficiency in the machine performance, designers may have to reduce the gap between the impeller and the diffuser, forcing them to be as closely spaced as possible. In these situations, there may be a strong interaction between them that influences both the aerodynamics and the structural performance of blades and vanes. This phenomenon is called rotor-stator interaction (RSI), and it has a strong influence on the machine behavior. These interactions can have a significant impact on the vibrational and acoustical characteristics of the machine. Sometimes, this interaction has led to blade or vane failure. Unsteadiness and turbulence play a fundamental role in RSI, and the use of computational fluid dynamics (CFD) is becoming a usual requirement in turbomachinery design due to the difficulties and elevated cost of the experimentation required to identify RSI phenomena. Nowadays, a CFD analysis based on Reynolds–averaged Navier–Stokes equations (RANS) and a coupled eddy viscosity turbulence model (EVM) is commonly applied in turbomachinery design. Therefore, the choice of an appropriate turbulence model and the boundary layer treatment is far from trivial, and a suitable turbulence modeling plays an important role for successful CFD results.In this work, an entire stage of a diffuser pump was modeled by means of a commercial CFD code in order to study the pressure fluctuations due to the interaction between the impeller and the diffuser of the pump. The obtained numerical results were compared against the experimental results of Tsukamoto et al.,. Full RANS equations coupled with several EVM were solved for a diffuser pump stage in order to establish the most accurate modeling strategy for a diffuser pump. Boundary layer sensitivity tests were performed, and numerical discretization influence on results was also tested and established. Frequencies of the pressure fluctuations in the diffuser passage are also obtained with several EVM and compared against experimental results.

  • Estudio del vortex shedding en perfil del predistribuidor - Grupos Aldea II

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2011-04-28
    Report

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  • Informe final: Sifón Tersa

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Date: 2011-03-21
    Report

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  • Detailed study of the rotor-stator interaction phenomenon in a moving cascade of airfoils

     Fontanals Garcia, Alfred; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Egusquiza Estevez, Eduardo
    IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems
    p. 707-714
    DOI: 10.1088/1755-1315/12/1/012089
    Presentation's date: 2010-09-20
    Presentation of work at congresses

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    In turbomachinery the Rotor-Stator Interaction (RSI) is an important phenomenon that has a strong influence on the machine behavior. These interactions can have a significant impact on the vibrational and acoustical characteristics of the machine. Unsteadiness and turbulence play a fundamental role in complex flow structure and the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) is becoming a usual requirement in design in turbomachinery due to the difficulties and high cost of the necessary experiments needed to identify RSI phenomena. The flow inside a turbomachinery working under design condition is complex but apparently, when working under off-design conditions, it becomes more complex due to the boundary layer separation phenomena. Therefore, the choice of an appropriate turbulence model is far from trivial and a suitable turbulence modeling plays a very important role for successful CFD results. In this work the RSI generated between a moving cascade of blades and fixed flat plate located downstream were studied by means of CFD modeling and compared against experimental results. Design and off-design conditions were modeled and a detailed comparison between them has been made. To analyze in detail the flow pattern, mean velocities in the boundary layer were obtained and compared against experimental results. Furthermore, results concerning to turbulence intensity were compared against an experimental database. It was observed that for each operating condition, the flow in the cascade show special features. For flow inside the turbomachine under design conditions there is no separation, the wake is thin and the characteristic length of the eddies is small. For off-design conditions, there is a large separation and the wake is thick with large eddies. The results obtained can be used to obtain a deeper insight into the RSI phenomena.

  • INTERACCIÓN FLUIDO-ESTRUCTURA EN LA RESPUESTA DINÁMICA DE RODETES DE TURBINAS HIDRÁULICAS

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Jou Santacreu, Esteban; Presas Batllo, Alexandre; Fontanals Garcia, Alfred; Castañer Rioboo, David; Egusquiza Estevez, Eduardo
    Competitive project

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  • CFD Studies in Heat and Mass Transfer Phenomena

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Date of publication: 2009-11-24
    Book

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  • Simulation of hot stamping processes

     Riera Colom, Maria Dolores; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Valls, I; Casellas Padro, Daniel
    International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel
    p. 119-131
    Presentation's date: 2008-10
    Presentation of work at congresses

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  • Rotor-stator interaction phenomena: numerical study of the boundary layer influence on the wake vortex shedding

     Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Fontanals Garcia, Alfred; Grau Barcelo, Joan; Egusquiza Estevez, Eduardo; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    24th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems
    Presentation's date: 2008-10-28
    Presentation of work at congresses

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  • HYDRODYNA Phase II. "Harnessing the dynamic behavior of hydro-turbines, storage pumps and pump-tubines"

     Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Egusquiza Estevez, Eduardo; Escaler Puigoriol, Francesc Xavier; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Fontanals Garcia, Alfred
    Competitive project

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  • Using CFD to estimate external mass transfer coefficients and intra-particle diffusional effects on the supercritical hydrogenation of sunflower oil

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Casanovas, M; Ramirez Rangel, Eliana; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Recasens Baxarias, Francisco-javier
    5th International Symposium on High Pressure Processes Technology and Chemical Engineering
    p. 58
    Presentation's date: 2007-06-26
    Presentation of work at congresses

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  • Computational Fluid Dynamics Studies in Heat and Mass Transfer Phenomena in Packed Bed Extraction and Reaction Equipment: Special Attention to Supercritical Fluids Technology  Open access

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Department of Chemical Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    El entendimiento de los fenómenos de transferencia de calor y de masa en medios porosos implica el estudio de modelos de transporte de fluidos en la fracción vacía del medio; este hecho es de fundamental importancia en muchos sistemas de Ingeniería Química, tal como en procesos de extracción o en reactores catalíticos. Los estudios de flujo realizados hasta ahora (teóricos y experimentales) usualmente tratan al medio poroso como un medio efectivo y homogéneo, y toman como válidas las propiedades medias del fluido. Este tipo de aproximación no tiene en cuenta la complejidad del flujo a través del espacio vacío del medio poroso, reduciendo la descripción del problema a promedios macroscópicos y propiedades efectivas. Sin embargo, estos detalles de los procesos locales de flujo pueden llegar a ser factores importantes que influencien el comportamiento de un proceso físico determinado que ocurre dentro del sistema, y son cruciales para entender el mecanismo detallado de, por ejemplo, fenómenos como la dispersión de calor, la dispersión de masa o el transporte entre interfaces.La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) como herramienta de modelado numérico permite obtener una visión mas aproximada y realista de los fenómenos de flujo de fluidos y los mecanismos de transferencia de calor y masa en lechos empacados, a través de la resolución de las ecuaciones de Navier - Stokes acopladas con los balances de materia y energía y con un modelo de turbulencia si es necesario. De esta forma, esta herramienta permite obtener los valores medios y/o fluctuantes de variables como la velocidad del fluido, la temperatura o la concentración de una especie en cualquier punto de la geometría del lecho empacado.El objetivo de este proyecto es el de utilizar programas comerciales de simulación CFD para resolver el flujo de fluidos y la transferencia de calor y de masa en modelos bi/tri dimensionales de lechos empacados, desarrollando una estrategia de modelado aplicable al diseño de equipos para procesos de extracción o de reacción catalítica. Como referencia se tomaran procesos de tecnología supercrítica debido a la complejidad de los fenómenos de transporte involucrados en estas condiciones, así como a la disponibilidad de datos experimentales obtenidos previamente en nuestro grupo de investigación. Estos datos experimentales se utilizan como herramienta de validación de los modelos numéricos generados, y de las estrategias de simulación adoptadas y realizadas durante el desarrollo de este proyecto.

    An understanding of the heat and mass transfer phenomena in a porous media implies the study of the fluid transport model within the void space; this fact is of fundamental importance to many chemical engineering systems such as packed bed extraction or catalytic reaction equipment. Experimental and theoretical studies of flow through such systems often treat the porous medium as an effectively homogeneous system and concentrate on the bulk properties of the flow. Such an approach neglects completely the complexities of the flow within the void space of the porous medium, reducing the description of the problem to macroscopic average or effective quantities. The details of this local flow process may, however, be the most important factor influencing the behavior of a given physical process occurring within the system, and are crucial to understanding the detailed mechanisms of, for example, heat and mass dispersion and interface transport.Computational Fluid Dynamics as a simulation tool allows obtaining a more approached view of the fluid flow and heat and mass transfer mechanisms in fixed bed equipment, through the resolution of 3D Reynolds averaged transport equations, together with a turbulence model when needed. In this way, this tool permit to obtain mean and fluctuating flow and temperature values in any point of the bed. The goal of this project is to use commercial available CFD codes for solving fluid flow and heat and mass transfer phenomena in two and three dimensional models of packed beds, developing a modeling strategy applicable to the design of packed bed chemical reaction and extraction equipment. Supercritical extraction and supercritical catalytic reaction processes will be taken as reference processes due to the complexity of the transport phenomena involved within this processes, and to the availability of experimental data in this field, obtained in the supercritical fluids research group of this university. The experimental data priory obtained by our research group will be used as validation data for the numerical models and strategies dopted and followed during the developing of the project.

  • DPI2006-13359 ANALISIS DE LAS VIBRACIONES PRODUCIDAS POR LA INTERACCION RODETE-DISTRIBUIDOR EN TURBINAS-BOMBA

     Escaler Puigoriol, Francesc Xavier; Egusquiza Estevez, Eduardo; Valero Ferrando, Mª Del Carmen; Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    Competitive project

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  • CFD modeling on external mass transfer and intra-particle diffusional effects on the supercritical hydrogenation of sunflower oil

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    19th International Symposium on Chemical Reaction Engineering
    Presentation's date: 2006-09-05
    Presentation of work at congresses

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  • CFD studies on particle-to-fluid mass and heat transfer in packed beds: free convection effects in supercritical fluids

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús
    19th International Symposium on Chemical Reaction Engineering
    Presentation's date: 2006-09-05
    Presentation of work at congresses

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  • CFD studies on particle-to-fluid mass and heat transfer in packed beds: free convection effects in supercritical fluids

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Recasens Baxarias, Francisco-javier; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Escaler Puigoriol, Francesc Xavier
    19th International Symposium on Chemical Reaction Engineering
    p. 95-96
    Presentation of work at congresses

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  • CFD modeling on external mass transfer and intra-particle diffusional effects on the supercritical hydrogenation of sunflower oil

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Casanovas, M; Magaña, I; Ramirez Rangel, Eliana; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Recasens Baxarias, Francisco-javier
    19th International Symposium on Chemical Reaction Engineering
    p. 518-519
    Presentation of work at congresses

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  • CFD Flow and mass transfer simulation in a packed bed with supercritical solvent: Preliminary results

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Recasens Baxarias, Francisco-javier
    The 10th Meeting on Supercritical Fluids: Reactions, Materials and Natural Product Processing
    p. 155-156
    Presentation of work at congresses

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  • Hidrogenación catalítica de aceite de girasol en fluido supercrítico y su interés en la indústria alimentaria

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Ramirez Rangel, Eliana; Recasens Baxarias, Francisco-javier; Santana Scotelari de Souza, Aline
    2a Reunión de Expertos en Tecnologías de Fluidos Comprimidos (Red Flucomp)
    p. 18-19
    Presentation of work at congresses

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  • CFD flow and mass transfer simulation in a packed bed with supercritical solvent: preliminary results

     Guardo Zabaleta, Alfredo de Jesús; Coussirat Nuñez, Miguel Gustavo; Larrayoz Iriarte, Maria Angeles; Recasens Baxarias, Francisco-javier
    The 10th Meeting on Supercritical Fluids: Reactions, Materials and Natural Product Processing
    Presentation of work at congresses

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