Computational study for the numerical resolution of thermal and fluid dynamic problems

Aprofundir en la simulació de les equacions fonamentals de la dinàmica de fluids i transferència de calor i massa, així com la seva aplicació en algun cas d’interès per l’estudiant en el camp de l’enginyeria industrial i/o aeronàutica. Depenen del background de l’estudiant en la resolució multidimensional de les equacions de Navier-Stokes treballat en assignatures del seu màster, es farà una tutela personalitzada que li permeti avançar en la modelitzacióó de situacions més complexes d’acord amb els seus interessos. Així, l’estudiant podrà aprofundir en el desenvolupament de codis de simulació de fluxos laminars en geometries complexes (malles no estructurades), fluxos turbulents (simulació directe de la turbulència i models de Large Eddy Simulation), fluxos bifàsics (sòlid-líquid o líquid-vapor), medis participants a la radiació, combustió, interacció sòlid-fluid, etc. El codis es desenvoluparan utilitzant preferentment tècniques de volums finits i en llenguatge de programació C o C++. També es considerarà la possibilitat de crear subrutines per ser implementades en codis de propòsit general (e.g. el codi obert OpemFoam, el codi TermoFluids, etc.). L’estudiant tindrà també la possibilitat d’orientar el seu TFM a aplicacions específiques en el camp de l’optimització de sistemes i equips termo-fluídics i aeronàutics per tal d’aconseguir la seva optimització, i.e. màxima eficiència energètica amb el mínim cost i impacte ambiental. Aquí l’estudiant podrà proposar, d’acord amb els professors, aquelles situacions que consideri més adients als seus interessos. Com a possibles casos d’aplicació citarem: En base al treball de simulació desenvolupat, una segona part del TFG estarà dirigida a aplicacions específiques en el camp de l’optimització de sistemes i equips termo-fluídics i aeronàutics per tal d’aconseguir la seva optimització, i.e. màxima eficiència energètica amb el mínim cost i impacte ambiental. Aquí l’estudiant podrà proposar, d’acord amb els professors, aquelles situacions que consideri més adients als seus interessos. Com a possibles casos d’aplicació citarem: Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to aerodynamic design of wind turbine blades. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to aerodynamics of different structures. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to combustors in the industry. Director C.D.Perez-Segarra; Co-director: A.OlivaAdvanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to Concentrated Solar Power (central receivers, parabolic trough collectors, linear Fresnel reflectors, parabolic dishes)Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to thermal energy storage in concentrated solar power plants. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to thermal energy storage in buildings and district heating. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to thermal and fluid-dynamic behaviour of bioclimatic buildings. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to solar absorption machines. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to thermal dissipation systems for applications with photovoltaic concentration. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to buoyancy driven flows in cavities. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to high performance computing. El títol final del TFM dependrà de l’aplicació final escollida. El llistat anterior és representatiu de com podria quedar el títol final.Since the development of the mechanical, aeronautical, and other industries along the computational technologies advances, a crucial field in engineering has studied the behavior and properties of fluids involved in engineering. During the last years this has led to advanced studies of the numerical resolution of Navier-Stokes equations, a relevant step to understand the fluid dynamics. Discretization methods, numerical schemes and solver methods has been developed; however, the application for specific cases and its effectivity or convenience for each case need to be thoroughly studied. Through the study of the convection-diffusion equation and the fractional step method and further implementation in thermal and fluid dynamic problems, this document analyzes the computational effects of these three components of CFD. Results shows how finer mesh sizes and discretization methods give a better performance in cases when the convective flows are higher than the diffusive flows. Contrarily, in relatively equal convective-diffusive flows the mesh size does not have a great influence, although finer meshes will have more precise results and better convergence features. Moreover, results show how numerical schemes can influence on the computational cost and time, especially for high-order schemes where stability is an important parameter to be aware. Finally, the analysis of solver methods demonstrates that the correct use and selection can be an important engineering decision because it could optimize the computational cost of the CFD studies applied to real fluid analysis