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