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Resumen:
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Contamination is becoming an important problem in great metropolitan areas. A large portion of the contaminants is emitted by the vehicle fleet. At European level, as well as in other economical areas, the regulation is ...[+]
Contamination is becoming an important problem in great metropolitan areas. A large portion of the contaminants is emitted by the vehicle fleet. At European level, as well as in other economical areas, the regulation is becoming more and more restrictive. Euro regulations are the best example of this tendency.
Specially important are the emissions of nitrogen oxide (NOx) and Particle Matter (PM). Two different strategies exist to reduce the emission of pollutants. One of them is trying to avoid their creation. Modifying the combustion process by means of different fuel injection laws or controlling the air regeneration are the typical methods. The second set of strategies is focused on the contaminant elimination. The NOx are reduced by means of catalysis and/or reducing atmosphere, usually created by injection of urea. The particle matter is eliminated using filters. This thesis is focused in this matter.
Most of the strategies to reduce the emission of contaminants penalise fuel consumption. The particle filter is not an exception. Its installation, located in the exhaust duct, restricts the pass of the air. It increases the pressure along the whole exhaust line before the filter reducing the performance. Optimising the filter is then an important task. The efficiency of the filter has to be good enough to obey the contaminant normative. At the same time the pressure drop has to be as low as possible to optimise fuel consumption and performance. The objective of the thesis is to find the relation between the micro-structure and the macroscopic properties. With this knowledge the optimisation of the micro-structure is possible.
The micro-structure of the filter mimics acicular mullite. It is created by procedural generation using random parameters. The relation between micro-structure and the macroscopic properties such as porosity and permeability are studied in detail. The flow field is solved using LabMoTer, a software developed during this thesis. The formulation is based on Lattice Botlzmann Methods, a new approach to simulate fluid dynamics. In addition, Walberla framework is used to solve the flow field too. This tool has been developed by Friedrich Alexander University of Erlangen Nürnberg.
The second part of the thesis is focused on the particles immersed into the fluid. The properties of the particles are given as a function of the aerodynamic diameter. This is enough for macroscopic approximations. However, the discretization of the porous media has the same order of magnitude than the particle size. Consequently realistic geometry is necessary. Diesel particles are aggregates of spheres. A simulation tool is developed to create these aggregated using ballistic collision. The results are analysed in detail.
The second step is to characterise their aerodynamic properties. Due to the small size of the particles, with the same order of magnitude than the separation between molecules of air, the fluid can not be approximated as a continuous medium. A new approach is needed. Direct Simulation Monte Carlo is the appropriate tool. A solver based on this formulation is developed. Unfortunately complex geometries could not be implemented on time.
The thesis has been fruitful in several aspects. A new model based on procedural generation has been developed to create a micro-structure which mimics acicular mullite. A new CFD solver based on Lattice Boltzmann Methods, LabMoTer, has been implemented and validated. At the same time it is proposed a technique to optimized setup. Ballistic agglomeration process is studied in detail thanks to a new simulator developed ad hoc for this task. The results are studied in detail to find correlation between properties and the evolution in time. Uncertainty Quantification is used to include the Uncertainty in the models. A new Direct Simulation Monte Carlo solver has been developed and validated to calculate rarefied flow.
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La contaminación se está volviendo un gran problema para las grandes áreas metropolitanas, en gran parte debido al tráfico. A nivel europeo, al igual que en otras áreas, la regulación es cada vez más restrictiva. Una buena ...[+]
La contaminación se está volviendo un gran problema para las grandes áreas metropolitanas, en gran parte debido al tráfico. A nivel europeo, al igual que en otras áreas, la regulación es cada vez más restrictiva. Una buena prueba de ello es la normativa Euro de la Unión Europea.
Especialmente importantes son las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM). La reducción de contaminantes se puede abordar desde dos estrategias distintas. La primera es la prevención. Modificar el proceso de combustión a través de las leyes de inyección o controlar la renovación de la carda son los métodos más comunes. La segunda estrategia es la eliminación. Se puede reducir los NOx mediante catálisis o atmósfera reductora y las partículas mediante la instalación de un filtro en el conducto de escape. La presente tesis se centra en el estudio de éste último.
La mayoría de as estrategias para la reducción de emisiones penalizan el consumo. El filtro de partículas no es una excepción. Restringe el paso de aire. Como consecuencia la presión se incrementa a lo largo de toda la línea reduciendo las prestaciones del motor. La optimización del filtro es de vital importancia. Tiene que mantener su eficacia a la par que que se minimiza la caída de presión y con ella el consumo de combustible. El objetivo de la tesis es encontrar la relación entre la miscroestructura y las propiedades macroscópicas del filtro. Las conclusiones del estudio podrán utilizarse para optimizar la microestructura.
La microestructura elegida imita los filtros de mulita acicular. Se genera por ordenador mediante generación procedimental utilizando parámetros aleatorios. Gracias a ello se puede estudiar la relación que existe entre la microestructura y las propiedades macroscópicas como la porosidad y la permeabilidad. El campo fluido se resuelve con LabMoTer, un software desarrollado en esta tesis. Está basado en Lattice Boltzmann, una nueva aproximación para simular fluidos. Además también se ha utilizado el framework Walberla desarrollado por la universidad Friedrich Alexander de Erlangen Nürnberg.
La segunda parte de la tesis se centra en las partículas suspendidas en el fluido. Sus propiedades vienen dadas en función del diámetro aerodinámico. Es una buena aproximación desde un punto de vista macroscópico. Sin embargo éste no es el caso. El tamaño de la discretización requerida para calcular el medio poroso es similar al tamaño de las partículas. En consecuencia se necesita simular geometrías realistas. Las partículas Diesel son agregados de esferas. El proceso de aglomeración se ha simulado mediante colisión balística. Los resultados se han analizado con detalle.
El segundo paso es la caracterización aerodinámica de los aglomerados. Debido a que el tamaño de las partículas precursoras es similar a la distancia entre moléculas el fluido no puede ser considerado un medio continuo. Se necesita una nueva aproximación. La herramienta apropiada es la Simulación Directa Monte Carlo (DSMC). Por ello se ha desarrollado un software basado en esta formulación. Desafortunadamente no ha habido tiempo suficiente como para implementar condiciones de contorno sobre geometrías complejas.
La tesis ha sido fructífera en múltiples aspectos. Se ha desarrollado un modelo basado en generación procedimental capaz de crear una microestructura que aproxime mulita acicular. Se ha implementado y validado un nuevo solver CFD, LabMoTer. Además se ha planteado una técnica que optimiza la preparación del cálculo. El proceso de aglomeración se ha estudiado en detalle gracias a un nuevo simulador desarrollado ad hoc para esta tarea. Mediante el análisis estadístico de los resultados se han planteado modelos que reproducen la población de partículas y su evolución con el tiempo. Técnicas de Cuantificación de Incertidumbre se han empleado para modelar la dispersión de datos. Por último, un simulador basado
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La contaminació s'està tornant un gran problema per a les grans àrees metropolitanes, en gran part degut al tràfic. A nivell europeu, a l'igual que en atres àrees, la regulació és cada volta més restrictiva. Una bona prova ...[+]
La contaminació s'està tornant un gran problema per a les grans àrees metropolitanes, en gran part degut al tràfic. A nivell europeu, a l'igual que en atres àrees, la regulació és cada volta més restrictiva. Una bona prova d'això és la normativa Euro de l'Unió Europea.
Especialment importants són les emissions d'òxits de nitrogen (NOX) i partícules (PM). La reducció de contaminants se pot abordar des de dos estratègies distintes. La primera és la prevenció. Modificar el procés de combustió a través de les lleis d'inyecció o controlar la renovació de la càrrega són els mètodos més comuns. La segona estratègia és l'eliminació. Se pot reduir els NOX mediant catàlisis o atmòsfera reductora i les partícules mediant l'instalació d'un filtre en el vas d'escap. La present tesis se centra en l'estudi d'este últim.
La majoria de les estratègies per a la reducció d'emissions penalisen el consum. El filtre de partícules no és una excepció. Restringix el pas d'aire. Com a conseqüència la pressió s'incrementa a lo llarc de tota la llínea reduint les prestacions del motor. L'optimisació del filtre és de vital importància. Ha de mantindre la seua eficàcia a la par que que es minimisa la caiguda de pressió i en ella el consum de combustible. L'objectiu de la tesis és trobar la relació entre la microescritura i les propietats macroscòpiques del filtre. Les conclusions de l'estudi podran utilisar-se per a optimisar la microestructura.
La microestructura elegida imita els filtres de mulita acicular. Se genera per ordenador mediant generació procedimental utilisant paràmetros aleatoris. Gràcies ad això es pot estudiar la relació que existix entre la microestructura i les propietats macroscòpiques com la porositat i la permeabilitat. El camp fluït se resol en LabMoTer, un software desenrollat en esta tesis. Està basat en Lattice Boltzmann, una nova aproximació per a simular fluïts. Ademés també s'ha utilisat el framework Walberla, desentollat per l'Universitat Friedrich Alexander d'Erlangen Nürnberg.
La segona part de la tesis se centra en les partícules suspeses en el fluït. Les seues propietats venen donades en funció del diàmetro aerodinàmic. És una bona aproximació des d'un punt de vista macroscòpic. No obstant este no és el cas. El tamany de la discretisació requerida per a calcular el mig porós és similar al tamany de les partícules. En conseqüència es necessita simular geometries realistes. Les partícules diésel són agregats d'esferes. El procés d'aglomeració s'ha simulat mediant colisió balística. Els resultats s'han analisat en detall.
El segon pas és la caracterisació aerodinàmica dels aglomerats. Degut a que el tamany de les partícules precursores és similar a la distància entre molècules el fluït no pot ser considerat un mig continu. Se necessita una nova aproximació. La ferramenta apropiada és la Simulació Directa Monte Carlo (DSMC). Per això s'ha desenrollat un software basat en esta formulació. Malafortunadament no ha hagut temps suficient com per a implementar condicions de contorn sobre geometries complexes.
La tesis ha segut fructífera en múltiples aspectes. S'ha desenrollat un model basat en generació procedimental capaç de crear una microestructura que aproxime mulita acicular. S'ha implementat i validat un nou solver CFD, LabMoTer. Ademés s'ha plantejat una tècnica que optimisa la preparació del càlcul. El procés d'aglomeració s'ha estudiat en detall gràcies a un nou simulador desenrollat ad hoc per ad esta tasca. Mediant l'anàlisis estadístic dels resultats s'han plantejat models que reproduixen la població de partícules i la seua evolució en el temps. Tècniques de Quantificació d'Incertea s'han empleat per a modelar la dispersió de senyes. Per últim, un simulador basat en DSMC s'ha desenrollat per a calcular fluïts rarificats.
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García Galache, José Pedro
