Defensa de Tesi Doctoral de Jordi Vera i Fernández

Us informem de la data de la defensa de la tesi del doctorand Jordi Vera i Fernández 

Dijous 20 de febrer 2025

11:00h.

 Sala de Conferències Edifici TR5 (Colom, 11 Terrassa)

Títol: Development of Algorithms for Enhancing Numerical Simulations in CFD & HT: Conjugate Heat Transfer, Moving Bodies, Indoor Air Quality, and Thermal Energy Storage
Autor: Jordi Vera i Fernández
Director: ASENSIO OLIVA LLENA
Co-Director: CARLOS DAVID PEREZ SEGARRA

Resums

Català:
Aquesta tesi consisteix en la millora de simulacions numèriques en CFD i HT (Dinàmica de Fluids Computacional i Transferència de Calor). Els continguts es divideixen en tres blocs: mètodes numèrics per a CFD, qualitat de l'aire interior i emmagatzematge d'energia tèrmica (TES).

El primer bloc se centra en els mètodes de simulació per a cossos en moviment. Es presenta un nou enfocament per millorar les simulacions de Transferència de Calor Conjugada (CHT) utilitzant el Immersed Boundary Method (IBM). Aquest algoritme fa servir un sistema de dues malles per eliminar errors numèrics en l'equació d'energia sòlida causats per esquemes convectius que transporten el camp de temperatura del sòlid quan s'utilitza una sola malla. Per a cossos rotatius, s'aplica el Mètode de Sliding Meshes (SMM) i es proposa una millora a l'algoritme d'intersecció de cares. A més, es fa una comparació entre l'IBM i el SMM utilitzant tant un cas de referència com un nou cas de prova proposat.

El segon bloc estudia la probabilitat d'infecció i la qualitat de l'aire en espais interiors utilitzant eines de CFD. Es proposa una nova metodologia basada en el model de Wells-Riley per avaluar el risc d'infecció. Aquest nou enfocament avalua diversos escenaris realitzant una permutació de totes les possibles ubicacions tant d'individus infecciosos com susceptibles, generant una matriu de probabilitat d'infecció que ajuda a identificar patrons de flux d'aire amb impactes positius o negatius en les taxes d'infecció. Finalment, aquesta nova metodologia, juntament amb altres estudis de qualitat de l'aire, s'aplica a un cas pràctic en un autobús urbà.

El tercer bloc presenta una simulació numèrica avançada d’un sistema d’emmagatzematge tèrmic estructurat amb termoclina integrat a plantes d’energia solar concentrada (CSP). Aquest sistema d’emmagatzematge utilitza una configuració de tanc únic amb un llit de farciment ceràmic estructurat amb canals per a la circulació del fluid de transferència tèrmica (HTF), una sal fosa, per reduir costos i millorar el rendiment tèrmic. Es desenvolupa un model matemàtic detallat per resoldre l’equació de calor 3D no estacionària dins del domini sòlid, combinada amb models 1D per al flux HTC. Aquest model numèric s’utilitza per a un estudi paramètric per avaluar els impactes de les configuracions geomètriques, les condicions operatives i la durada dels cicles en el rendiment del sistema.

A més de les seccions esmentades, s'inclouen dos apèndixs. El primer apèndix està estretament relacionat amb el tercer bloc, centrant-se en el disseny d'una unitat experimental per validar els models numèrics presentats en aquesta secció. Proporciona una descripció detallada dels components necessaris, incloent-hi les seves condicions operatives i funcionals. Es realitzen proves experimentals preliminars per avaluar la compatibilitat dels materials de farciment i les propietats de les sals foses. Certs components, com l’intercanviador de calor, s’analitzen amb més detall utilitzant la metodologia descrita al segon apèndix. Aquest segon apèndix compara els resultats de diferents metodologies CHT, incloent-hi un model 1D acoblat i un enfoc CFD multidimensional, per avaluar el comportament dels intercanviadors de calor en condicions estacionàries i transitòries. Es proposa i analitza un nou disseny d’intercanviador de calor utilitzant aquesta metodologia. Finalment, s’ha desenvolupat i preparat un muntatge experimental per provar el disseny proposat.


Castellano:
Esta tesis consiste en la mejora de simulaciones numéricas en CFD y HT (Dinámica de Fluidos Computacional y Transferencia de Calor). Los contenidos se dividen en tres bloques: métodos numéricos para CFD, calidad del aire interior y almacenamiento de energía térmica (TES).

El primer bloque se centra en los métodos de simulación para cuerpos en movimiento. Se presenta un nuevo enfoque para mejorar las simulaciones de Transferencia de Calor Conjugada (CHT) utilizando el Immersed Boundary Method (IBM). Este algoritmo emplea un sistema de dos mallas para eliminar errores numéricos en la ecuación de energía del sólido causados por esquemas convectivos que transportan el campo de temperatura del sólido cuando se usa una sola malla. Para cuerpos rotativos, se aplica el Método de Sliding Mesh (SMM) y se propone una mejora en el algoritmo de intersección de caras. Además, se realiza una comparación entre el IBM y el SMM utilizando tanto un caso de referencia como un nuevo caso de prueba propuesto.

El segundo bloque estudia la probabilidad de infección y la calidad del aire en espacios interiores utilizando herramientas de CFD. Se propone una nueva metodología basada en el modelo de Wells-Riley para evaluar el riesgo de infección. Este nuevo enfoque evalúa diversos escenarios realizando una permutación de todas las posibles ubicaciones tanto de individuos infecciosos como susceptibles, generando una matriz de probabilidad de infección que ayuda a identificar patrones de flujo de aire con impactos positivos o negativos en las tasas de infección. Finalmente, esta nueva metodología, junto con otros estudios de calidad del aire, se aplica a un caso práctico en un autobús urbano.

El tercer bloque presenta una simulación numérica avanzada de un sistema de almacenamiento térmico estructurado con termoclina integrado en plantas de energía solar concentrada (CSP). Este sistema de almacenamiento emplea una configuración de tanque único con un lecho estructurado de materiales cerámicos de relleno, con canales para la circulación del fluido de transferencia térmica (HTF), una sal fundida, para reducir costos y mejorar el rendimiento térmico. Se desarrolla un modelo matemático detallado para resolver la ecuación de calor 3D no estacionaria dentro del dominio sólido, acoplado con modelos 1D para el flujo HTC. Este modelo numérico se utiliza para un estudio paramétrico que evalúa los impactos de las configuraciones geométricas, las condiciones operativas y la duración de los ciclos en el rendimiento del sistema.

Además de las secciones mencionadas, se incluyen dos apéndices. El primer apéndice está estrechamente relacionado con el tercer bloque, centrándose en el diseño de una unidad experimental para validar los modelos numéricos presentados en esa sección. Proporciona una descripción detallada de los componentes necesarios, incluidas sus condiciones operativas y funcionales. Se realizan pruebas experimentales preliminares para evaluar la compatibilidad de los materiales de relleno y las propiedades de las sales fundidas. Ciertos componentes, como el intercambiador de calor, se analizan con más detalle utilizando la metodología descrita en el segundo apéndice. Este segundo apéndice compara los resultados de diferentes metodologías CHT, incluyendo un modelo 1D acoplado y un enfoque CFD multidimensional, para evaluar el comportamiento de los intercambiadores de calor en condiciones estacionarias y transitorias. Se propone y analiza un nuevo diseño de intercambiador de calor utilizando esta metodología. Finalmente, se ha desarrollado y preparado un montaje experimental para probar el diseño propuesto.

Anglès:
This thesis consists of the enhancement of numerical simulations in CFD \& HT (Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer). The contents are divided into three blocks: CFD numerical methods, indoor air quality, and thermal energy storage (TES).

The first block focuses on simulation methods for moving bodies. A new approach is introduced to enhance Conjugate Heat Transfer (CHT) simulations using the Immersed Boundary Method (IBM). This algorithm uses a two-mesh system to eliminate numerical errors in the solid energy equation caused by convective schemes that transport the solid's temperature field when using a single mesh.
For rotating bodies, the Sliding Mesh Method (SMM) is applied, and an improvement to the face intersection algorithm is proposed. Additionally, a comparison between the IBM and the SMM is made using both a reference case and a newly proposed testing case.

The second block studies the infection probability and air quality in indoor domains using CFD tools. A new methodology based on the Wells-Riley model is proposed to assess infection risk.
The novel approach assesses various scenarios by performing a permutation for all possible locations of both infectious and susceptible individuals, generating an infection probability matrix that helps identify airflow patterns with either positive or negative impacts on infection rates.
Finally, the new methodology, along with other air quality studies, is applied in a practical case involving an urban bus.

The third block presents an advanced numerical simulation of a structured thermocline thermal energy storage system integrated with Concentrated Solar Power (CSP) plants. This storage system employs a single-tank configuration with a packed bed of ceramic filler materials, featuring channels for circulation of the Heat Transfer Fluid (HTF), a molten salt, to reduce costs and enhance thermal performance.
A detailed mathematical model is developed to solve the unsteady 3D heat equation within the solid domain, coupled with 1D models for the HTC flow. This numerical model is then used for a parametric study to assess the impacts of geometric configurations, operational conditions, and cycle durations on the system's performance.

In addition to the previously mentioned sections, two appendixes are included. The first appendix is closely related to the third block, focusing on the design of an experimental unit to validate the numerical models presented in that section. It provides a detailed description of the necessary components, including their operational and functional conditions. Preliminary experimental tests are conducted to assess the compatibility of filler materials and the properties of molten salts.
Certain components, such as the heat exchanger, are analyzed in more detail using the methodology outlined in the second appendix. This second appendix compares the results of different CHT methodologies, including a 1D coupled model and a multidimensional CFD approach, to evaluate the behavior of heat exchangers under both steady and transient conditions. A new heat exchanger design is proposed and analyzed using this methodology. Finally, an experimental setup for the proposed design has been developed and prepared for testing.