Dissertation/ Thesis
Performance enhancement of a vacuum generation pneumatic device by fluid dynamics characterization
| Title: | Performance enhancement of a vacuum generation pneumatic device by fluid dynamics characterization |
|---|---|
| Authors: | Macià Cid, Llorenç |
| Contributors: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Mecànica |
| Thesis Advisors: | Castilla López, Roberto, Gámez Montero, Pedro Javier |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Publication Year: | 2026 |
| Physical Description: | 96 p. |
| Subject Terms: | Supersonic vacuum ejector, Computational Fluid Dynamics (CFD) model, OPENFOAM, Experimental validation, Entrainment ratio, Polytropic evolution, One-dimensional model, Design optimization, Total Evacuation Time (TET), Performance improvement, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica, 621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària |
| Description: | Tesi amb menció de Doctorat Industrial |
| Description (Translated): | (English) In this thesis, behavior analyses and performance improvements, are presented for a supersonic vacuum ejector, key component in industrial automatization tasks. To characterize the performance of an EVKAC180 model ejector, a combination of numerical simulations using the Computational Fluid Dynamics (CFD) OPENFOAM toolbox and experimental measurements on a dedicated test rig was used. Two operation regimes: a supercritical mode, where the secondary flow chokes, and a subcritical mode, where it remains subsonic. And breakpoints were identified. Simulations reproduced this dual behavior with good agreement with experimental data, though some deviations were found at high and low flow rates. In addition to the density-based implicit solver (HiSA), an ex plicit solver (rhoCentralFoam) was also used, confirming consistent results across the flow rates. The polytropic evolution, another key ejector metric, was found to be initially adiabatic, progressively transitioning to isothermal. A one-dimensional model was developed to complement CFD simulations and estimate ejector performance from geometry and operating conditions. The model computes the entrainment ratio and secondary pressures under both critical and subcritical regimes. Its results were validated against experimental and CFD data, showing accurate predictions and low deviations (below 4 %) in critical regimes. It provides a faster, low-cost alternative for early design stages. The ejector performance was improved by analyzing the influence of design parameters through single- and multi-factor analyses. The mixing chamber length proved to be the most impactful factor, leading to a 10 % individual improvement. The fractional factorial multi-factor analysis confirmed this trend and produced the final improved geometry design, referred to as the EDGE ejector, achieving a slightly higher overall performance gain of 10.4 %. The interaction effects among parameters were found to be limited yet important overall. Finally, an empirical model tool for predicting the Total Evacuation Time (TET) was proposed, combining the characteristic and polytropic curves. Several experimental test rigs were used to refine the polynomial fits of the characteristic curves, exhibiting deviations in TET prediction as low as 1.4 %. The validated tool was then applied to the EDGE ejector, achieving a 4 % reduction in TET (a gain of 8 s) compared to the original model, fulfilling the objective of this research. Moreover, the tools developed in this thesis reduce the need for extensive experimental data and enable reliable forecasting for new ejector designs. (Català) En aquesta tesi es presenten anàlisis de comportament i millores de rendiment per a un ejector supersònic de buit, component clau en tasques d’automatització industrial. Per caracteritzar el rendiment d’un ejector model EVKAC180, s’utilitza una combinació de simulacions numèriques amb la caixa d’eines de Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) OpenFOAM i mesures experimentals en un banc de proves dedicat. S’identifiquen dos règims de funcionament: un mode supercrític, on el flux secundari s’estrangula, i un mode subcrític, on es manté sub-sònic, i el punt de canvi entre règims. Les simulacions reprodueixen aquest doble comportament amb bona concordança amb les dades experimentals, tot i que es troben algunes desviacions en cabals molt alts i molt baixos. A més del solver implícit basat en densitat (HiSA), també s’utilitza un solver explícit (rhoCentralFoam), confirmant resultats consistents en tot l’interval de cabals. L’evolució politròpica, una mètrica clau de l’ejector, es va trobar inicialment adiabàtica, evolucionant progressivament fins a isoterma. Es desenvolupa un model unidimensional per complementar les simulacions CFD i estimar el rendiment de l’ejector a partir de la geometria i les condicions operatives. El model calcula el ràtio d’aspiració i les pressions secundàries tant en règim crític com en subcrític. Els seus resultats es van validar amb dades experimentals i CFD, mostrant prediccions acurades i desviacions baixes (menys del 4 %) en règims crítics. Proporciona una alternativa més ràpida i de baix cost per a etapes inicials de disseny. El rendiment de l’ejector es millora analitzant la influència dels paràmetres constructius mitjançant anàlisis en CFD de factor únic i multifactorial. La longitud de la cambra de mescla va resultar ser el paràmetre més determinant, amb una millora individual del 10 %. L’anàlisi multifactorial fraccional va confirmar aquesta tendència i va produir el disseny final millorat de la geometria, denominat EDGE ejector, assolint un guany global lleugerament superior, del 10,4 %. Els efectes d’interacció entre paràmetres es van trobar limitats però globalment rellevants. Finalment, es va proposar una eina de model empíric per predir el Temps Total d’Evacuació (TET), combinant les corbes característiques i politròpiques. Diversos bancs de proves experimentals es van utilitzar per ajustar les regressions polinòmiques de les corbes característiques, mostrant desviacions en la predicció del TET tan baixes com l’1,4 %. L’eina validada es va aplicar després a l’ejector EDGE, aconseguint una reducció del 4 % del TET (un guany de 8 segons) en comparació amb el model original, assolint així l’objectiu d’aquesta recerca. A més, les eines desenvolupades en aquesta tesi redueixen la necessitat de dades experimentals extensives i permeten una predicció fiable per a nous dissenys d’ejectors. (Español) En esta tesis se presentan análisis de comportamiento y mejoras de rendimiento para un eyector de vacío supersónico, componente clave en tareas de automatización industrial. Para caracterizar el rendimiento de un eyector modelo EVKAC180, se utilizó una combinación de simulaciones numéricas con la herramienta OPENFOAM de dinámica de fluidos computacional (CFD) y mediciones experimentales en un banco de pruebas específico. Se identificaron dos regímenes de funcionamiento: un modo supercrítico, en el que el flujo secundario se estrangula, y un modo subcrítico, en el que permanece subsónico y se identificaron el punto de cambio de régimen. Las simulaciones reprodujeron este doble comportamiento con buena concordancia con los datos experimentales, aunque se encontraron algunas desviaciones a caudales altos y bajos. Además del solver implícito basado en la densidad (HiSA), también se utilizó un solver explícito (rhoCentralFoam), lo que confirmó la coherencia de los resultados en todos los caudales. Se observó que la evolución politrópica, otra métrica clave del eyector, era inicialmente adiabática y progresivamente isotérmica. Se desarrolló un modelo unidimensional para complementar las simulaciones CFD y estimar el rendimiento del eyector a partir de la geometría y las condiciones de funcionamiento. El modelo calcula la relación de arrastre y las presiones secundarias en regímenes críticos y subcríticos. Sus resultados se validaron con datos experimentales y CFD, mostrando predicciones precisas y bajas desviaciones (por debajo del 4 %) en regímenes críticos. Proporciona una alternativa más rápida y económica para las primeras etapas del diseño. El rendimiento del eyector se mejoró mediante el análisis de la influencia de los parámetros de diseño a través de análisis de uno y varios factores. La longitud de la cámara de mezcla resultó ser el factor más influyente, lo que condujo a una mejora individual del 10 %. El análisis factorial fraccional de varios factores confirmó esta tendencia y dio lugar al diseño geométrico mejorado final, denominado eyector EDGE, que logró una ganancia de rendimiento global ligeramente superior, del 10,4 %. Se observó que los efectos de interacción entre los parámetros eran limitados, pero importantes en general. Por último, se propuso una herramienta de modelo empírico para predecir el tiempo total de evacuación (TET), combinando las curvas características y politrópicas. Se utilizaron varios bancos de pruebas experimentales para perfeccionar los ajustes polinómicos de las curvas características, que mostraban desviaciones en la predicción del TET de tan solo un 1,4 %. La herramienta validada se aplicó posteriormente al eyector EDGE, logrando una reducción del 4 % del TET (una ganancia de 8 segundos) en comparación con el modelo original, cumpliendo así el objetivo de esta investigación. Además, las herramientas desarrolladas en esta tesis reducen la necesidad de datos experimentales exhaustivos y permiten realizar previsiones fiables para nuevos diseños de eyectores. DOCTORAT EN ENGINYERIA MECÀNICA, FLUIDS I AERONÀUTICA (Pla 2013) |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-452440 |
| Access URL: | http://hdl.handle.net/10803/696558 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-452440 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.696558 |
| Database: | TDX |
| FullText | Text: Availability: 0 CustomLinks: – Url: http://hdl.handle.net/10803/696558# Name: EDS - TDX (ns324271) Category: fullText Text: View record in TDX |
|---|---|
| Header | DbId: edstdx DbLabel: TDX An: edstdx.10803.696558 RelevancyScore: 1424 AccessLevel: 3 PubType: Dissertation/ Thesis PubTypeId: dissertation PreciseRelevancyScore: 1424.46948242188 |
| IllustrationInfo | |
| Items | – Name: Title Label: Title Group: Ti Data: Performance enhancement of a vacuum generation pneumatic device by fluid dynamics characterization – Name: Author Label: Authors Group: Au Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Macià+Cid%2C+Llorenç%22">Macià Cid, Llorenç</searchLink> – Name: Author Label: Contributors Group: Au Data: University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Mecànica – Name: Author Label: Thesis Advisors Group: Au Data: Castilla López, Roberto<br />Gámez Montero, Pedro Javier – Name: TitleSource Label: Source Group: Src Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) – Name: Publisher Label: Publisher Information Group: PubInfo Data: Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. – Name: DatePubCY Label: Publication Year Group: Date Data: 2026 – Name: PhysDesc Label: Physical Description Group: PhysDesc Data: 96 p. – Name: Subject Label: Subject Terms Group: Su Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22Supersonic+vacuum+ejector%22">Supersonic vacuum ejector</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Computational+Fluid+Dynamics+%28CFD%29+model%22">Computational Fluid Dynamics (CFD) model</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22OPENFOAM%22">OPENFOAM</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Experimental+validation%22">Experimental validation</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Entrainment+ratio%22">Entrainment ratio</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Polytropic+evolution%22">Polytropic evolution</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22One-dimensional+model%22">One-dimensional model</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Design+optimization%22">Design optimization</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Total+Evacuation+Time+%28TET%29%22">Total Evacuation Time (TET)</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Performance+improvement%22">Performance improvement</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Àrees+temàtiques+de+la+UPC%3A%3AEnginyeria+mecànica%22">Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22621+-+Enginyeria+mecànica+en+general%2E+Tecnologia+nuclear%2E+Electrotècnia%2E+Maquinària%22">621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària</searchLink> – Name: Abstract Label: Description Group: Ab Data: Tesi amb menció de Doctorat Industrial – Name: Abstract Label: Description (Translated) Group: Ab Data: (English) In this thesis, behavior analyses and performance improvements, are presented for a supersonic vacuum ejector, key component in industrial automatization tasks. To characterize the performance of an EVKAC180 model ejector, a combination of numerical simulations using the Computational Fluid Dynamics (CFD) OPENFOAM toolbox and experimental measurements on a dedicated test rig was used. Two operation regimes: a supercritical mode, where the secondary flow chokes, and a subcritical mode, where it remains subsonic. And breakpoints were identified. Simulations reproduced this dual behavior with good agreement with experimental data, though some deviations were found at high and low flow rates. In addition to the density-based implicit solver (HiSA), an ex plicit solver (rhoCentralFoam) was also used, confirming consistent results across the flow rates. The polytropic evolution, another key ejector metric, was found to be initially adiabatic, progressively transitioning to isothermal. A one-dimensional model was developed to complement CFD simulations and estimate ejector performance from geometry and operating conditions. The model computes the entrainment ratio and secondary pressures under both critical and subcritical regimes. Its results were validated against experimental and CFD data, showing accurate predictions and low deviations (below 4 %) in critical regimes. It provides a faster, low-cost alternative for early design stages. The ejector performance was improved by analyzing the influence of design parameters through single- and multi-factor analyses. The mixing chamber length proved to be the most impactful factor, leading to a 10 % individual improvement. The fractional factorial multi-factor analysis confirmed this trend and produced the final improved geometry design, referred to as the EDGE ejector, achieving a slightly higher overall performance gain of 10.4 %. The interaction effects among parameters were found to be limited yet important overall. Finally, an empirical model tool for predicting the Total Evacuation Time (TET) was proposed, combining the characteristic and polytropic curves. Several experimental test rigs were used to refine the polynomial fits of the characteristic curves, exhibiting deviations in TET prediction as low as 1.4 %. The validated tool was then applied to the EDGE ejector, achieving a 4 % reduction in TET (a gain of 8 s) compared to the original model, fulfilling the objective of this research. Moreover, the tools developed in this thesis reduce the need for extensive experimental data and enable reliable forecasting for new ejector designs.<br />(Català) En aquesta tesi es presenten anàlisis de comportament i millores de rendiment per a un ejector supersònic de buit, component clau en tasques d’automatització industrial. Per caracteritzar el rendiment d’un ejector model EVKAC180, s’utilitza una combinació de simulacions numèriques amb la caixa d’eines de Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) OpenFOAM i mesures experimentals en un banc de proves dedicat. S’identifiquen dos règims de funcionament: un mode supercrític, on el flux secundari s’estrangula, i un mode subcrític, on es manté sub-sònic, i el punt de canvi entre règims. Les simulacions reprodueixen aquest doble comportament amb bona concordança amb les dades experimentals, tot i que es troben algunes desviacions en cabals molt alts i molt baixos. A més del solver implícit basat en densitat (HiSA), també s’utilitza un solver explícit (rhoCentralFoam), confirmant resultats consistents en tot l’interval de cabals. L’evolució politròpica, una mètrica clau de l’ejector, es va trobar inicialment adiabàtica, evolucionant progressivament fins a isoterma. Es desenvolupa un model unidimensional per complementar les simulacions CFD i estimar el rendiment de l’ejector a partir de la geometria i les condicions operatives. El model calcula el ràtio d’aspiració i les pressions secundàries tant en règim crític com en subcrític. Els seus resultats es van validar amb dades experimentals i CFD, mostrant prediccions acurades i desviacions baixes (menys del 4 %) en règims crítics. Proporciona una alternativa més ràpida i de baix cost per a etapes inicials de disseny. El rendiment de l’ejector es millora analitzant la influència dels paràmetres constructius mitjançant anàlisis en CFD de factor únic i multifactorial. La longitud de la cambra de mescla va resultar ser el paràmetre més determinant, amb una millora individual del 10 %. L’anàlisi multifactorial fraccional va confirmar aquesta tendència i va produir el disseny final millorat de la geometria, denominat EDGE ejector, assolint un guany global lleugerament superior, del 10,4 %. Els efectes d’interacció entre paràmetres es van trobar limitats però globalment rellevants. Finalment, es va proposar una eina de model empíric per predir el Temps Total d’Evacuació (TET), combinant les corbes característiques i politròpiques. Diversos bancs de proves experimentals es van utilitzar per ajustar les regressions polinòmiques de les corbes característiques, mostrant desviacions en la predicció del TET tan baixes com l’1,4 %. L’eina validada es va aplicar després a l’ejector EDGE, aconseguint una reducció del 4 % del TET (un guany de 8 segons) en comparació amb el model original, assolint així l’objectiu d’aquesta recerca. A més, les eines desenvolupades en aquesta tesi redueixen la necessitat de dades experimentals extensives i permeten una predicció fiable per a nous dissenys d’ejectors.<br />(Español) En esta tesis se presentan análisis de comportamiento y mejoras de rendimiento para un eyector de vacío supersónico, componente clave en tareas de automatización industrial. Para caracterizar el rendimiento de un eyector modelo EVKAC180, se utilizó una combinación de simulaciones numéricas con la herramienta OPENFOAM de dinámica de fluidos computacional (CFD) y mediciones experimentales en un banco de pruebas específico. Se identificaron dos regímenes de funcionamiento: un modo supercrítico, en el que el flujo secundario se estrangula, y un modo subcrítico, en el que permanece subsónico y se identificaron el punto de cambio de régimen. Las simulaciones reprodujeron este doble comportamiento con buena concordancia con los datos experimentales, aunque se encontraron algunas desviaciones a caudales altos y bajos. Además del solver implícito basado en la densidad (HiSA), también se utilizó un solver explícito (rhoCentralFoam), lo que confirmó la coherencia de los resultados en todos los caudales. Se observó que la evolución politrópica, otra métrica clave del eyector, era inicialmente adiabática y progresivamente isotérmica. Se desarrolló un modelo unidimensional para complementar las simulaciones CFD y estimar el rendimiento del eyector a partir de la geometría y las condiciones de funcionamiento. El modelo calcula la relación de arrastre y las presiones secundarias en regímenes críticos y subcríticos. Sus resultados se validaron con datos experimentales y CFD, mostrando predicciones precisas y bajas desviaciones (por debajo del 4 %) en regímenes críticos. Proporciona una alternativa más rápida y económica para las primeras etapas del diseño. El rendimiento del eyector se mejoró mediante el análisis de la influencia de los parámetros de diseño a través de análisis de uno y varios factores. La longitud de la cámara de mezcla resultó ser el factor más influyente, lo que condujo a una mejora individual del 10 %. El análisis factorial fraccional de varios factores confirmó esta tendencia y dio lugar al diseño geométrico mejorado final, denominado eyector EDGE, que logró una ganancia de rendimiento global ligeramente superior, del 10,4 %. Se observó que los efectos de interacción entre los parámetros eran limitados, pero importantes en general. Por último, se propuso una herramienta de modelo empírico para predecir el tiempo total de evacuación (TET), combinando las curvas características y politrópicas. Se utilizaron varios bancos de pruebas experimentales para perfeccionar los ajustes polinómicos de las curvas características, que mostraban desviaciones en la predicción del TET de tan solo un 1,4 %. La herramienta validada se aplicó posteriormente al eyector EDGE, logrando una reducción del 4 % del TET (una ganancia de 8 segundos) en comparación con el modelo original, cumpliendo así el objetivo de esta investigación. Además, las herramientas desarrolladas en esta tesis reducen la necesidad de datos experimentales exhaustivos y permiten realizar previsiones fiables para nuevos diseños de eyectores.<br />DOCTORAT EN ENGINYERIA MECÀNICA, FLUIDS I AERONÀUTICA (Pla 2013) – Name: TypeDocument Label: Document Type Group: TypDoc Data: Dissertation/Thesis – Name: Format Label: File Description Group: SrcInfo Data: application/pdf – Name: Language Label: Language Group: Lang Data: English – Name: DOI Label: DOI Group: ID Data: 10.5821/dissertation-2117-452440 – Name: URL Label: Access URL Group: URL Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="http://hdl.handle.net/10803/696558" linkWindow="_blank">http://hdl.handle.net/10803/696558</link><br /><link linkTarget="URL" linkTerm="https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-452440" linkWindow="_blank">https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-452440</link> – Name: Copyright Label: Rights Group: Cpyrght Data: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ – Name: AN Label: Accession Number Group: ID Data: edstdx.10803.696558 |
| PLink | https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.696558 |
| RecordInfo | BibRecord: BibEntity: Identifiers: – Type: doi Value: 10.5821/dissertation-2117-452440 Languages: – Text: English PhysicalDescription: Pagination: PageCount: 96 Subjects: – SubjectFull: Supersonic vacuum ejector Type: general – SubjectFull: Computational Fluid Dynamics (CFD) model Type: general – SubjectFull: OPENFOAM Type: general – SubjectFull: Experimental validation Type: general – SubjectFull: Entrainment ratio Type: general – SubjectFull: Polytropic evolution Type: general – SubjectFull: One-dimensional model Type: general – SubjectFull: Design optimization Type: general – SubjectFull: Total Evacuation Time (TET) Type: general – SubjectFull: Performance improvement Type: general – SubjectFull: Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica Type: general – SubjectFull: 621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària Type: general Titles: – TitleFull: Performance enhancement of a vacuum generation pneumatic device by fluid dynamics characterization Type: main BibRelationships: HasContributorRelationships: – PersonEntity: Name: NameFull: Macià Cid, Llorenç IsPartOfRelationships: – BibEntity: Dates: – D: 26 M: 01 Type: published Y: 2026 |
| ResultId | 1 |