No description available.

Dans le cadre de la thématique consacrée à la transition énergétique, le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) travaille sur la géothermie profonde. Cette thèse se focalise sur l’étude de l’encrassement des échangeurs de chaleur de surface et plus spécifiquement sur la modélisation et la simulation de l’évolution d’un dépôt. L’encrassement conduit à des pertes d’efficacité et nécessite la mise en place de moyens de prévention ou de nettoyage, entraînant d’importants surcoûts. Le modèle général proposé décrit des réactions hétérogènes entre deux phases multi-constituantes, l’une liquide et l’autre solide. La phase liquide est une solution contenant des ions dilués dans un solvant, tandis que le solide est composé de constituants immobiles. L’électro-migration des espèces est prise en compte dans la description. L’interface entre les deux phases est le siège de multiples réactions hétérogènes. Les conditions aux limites faisant intervenir la vitesse de l’interface permettent le couplage complet entre les deux domaines. Ce modèle général est ensuite appliqué au cas particulier de l’encrassement d’un tube par formation de sels et résolu à l’aide de Comsol Multiphysics. La simulation d’un cas simplifié d’encrassement par le sulfate de baryum a permis d’analyser la phénoménologie de la croissance du dépôt et de mettre en évidence les effets des évolutions de la solubilité et de la cinétique via la chute de température dans le tube, ainsi que de la mobilité radiale des espèces par diffusion qui limite la croissance. L’électro-migration participe significativement au transport mais n’influence pas l’épaisseur du dépôt. L’hypothèse d’une réaction de cristallisation de la barytine instantanément équilibrée conduit à une forte surestimation de l’encrassement. La composition de l’eau est ensuite complexifiée afin d’étudier l’influence de la présence du chlorure de sodium à 1 mol.L-1, puis d’ions strontium et ainsi la co-précipitation de barytine et de célestine. / In the framework of the theme devoted to the energy transition, the “Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés” (LaTEP) is working on deep geothermal energy. This thesis focuses on the study of the fouling phenomenon of surface heat exchangers and more specifically on the modelling and the simulation of the evolution of a deposit. Fouling leads to loss of efficiency and requires means of prevention and cleaning, leading to huge over-costs. The proposed general model describes heterogeneous reactions between two multi-component phases, one liquid and the other solid. The liquid phase is a solution containing ions diluted in a solvent, while the solid is composed of immobile constituents. Transport by electro-migration is taken into account in the description. At the interface between the two phases, multiple heterogeneous reactions occur. The boundary conditions involves the interface’s velocity and allow a complete coupling between the two domains. This general model is then applied to the particular case of fouling of a pipe by salt formation and is solved using Comsol Multiphysics. Simulation of a simplified case of fouling from barium sulfate allowed an analysis of the phenomenology of the deposit growth. It highlights the effects of changes in solubility and kinetics caused by the temperature drop in the tube, as well as the effect of radial mobility of the species by diffusion, limiting the growth. Electro-migration contributes significantly to transport but does not influence the thickness of the deposit. The hypothesis of an instantly balanced barite crystallization reaction leads to an overestimation of the fouling. In a second time, more species are added to the water’s composition in order to study the influence of the presence of sodium chloride at 1 mol.L-1. Finally, the addition of strontium ions leads to co-precipitation of barite and celestine.

No description available.

Takmonterade avluftshuvar kan ha ett krav att kastlängden av luftflödet ska överstiga en minimal höjd över takytan. Moderna ventilationssystem av typen VAV (Variable Air Volume) kan anpassa luftflödet till olika rum beroende på antalet personer och mätvärden på luftkvalitet i rummen, vilket kan leda till ett lägre luftflöde under nätter och helger. Det lägre luftflödet kan leda till att kastlängden på statiskt konstruerade avluftshuvar minskar, vilket i sin tur kan leda till att utkastad luft återcirkuleras in i närliggande inloppskomponenter. För att undvika detta kan ventilationssystemet behöva driva ett onödigt högt luftflöde.  I detta arbete utvecklas en mekanism som kan anpassa geometrin på avluftshuven för att behålla en konstant kastlängd med minskat luftflöde. Mekanismen väljs från ett antal koncept som utvecklas med en systematisk process och modelleras med CAD (Computer Aided Design). Funktionen av varje koncept utvärderas med CFD (Computational Fluid Dynamics) simuleringar.  Den resulterande mekanismen beräknas kunna behålla en konstant kastlängd ner till 39% av det högsta specificerade luftflödet för den valda referensmodellen. / Roof-mounted outflow hoods may have a requirement that the throw of the airflow exceeds a minimum level above the roof surface. Modern ventilation systems are often of the Variable Air Volume (VAV) type which adjusts airflow depending on room occupancy and air quality readings, which may lead to a lower total airflow during nights and weekends. The lower airflow may cause the throw of statically constructed outflow roof-hoods to decrease which in turn may cause exhausted air to be recirculated into nearby inflow components. To avoid this, ventilation systems may need to drive a unnecessarily high airflow to maintian the throw. In this work, a mechanism concept is developed that can adjust the geometry of a outflow roofhood to maintain a constant throw even with adecrease in airflow. The mechanism concept is chosen from a number of concept ideas developed using a systematic process and modeled with CAD (Computer Aided Design). The performance of each concept idea is evaluated with the help of Computer Fluid Dynamics (CFD) simulations. The resulting mechanism is estimated to be able to maintain a constant throw down to 39% of the maximum airflow for the reference hood.

A shrouded blade was designed as a test case for flutter analysis of steam turbine. Flutter is a self-excitedvibration. It can lead to dramatic blade loss and high-cycle fatigue. Shrouded blade is more complicated onflutter analysis, because the mode shapes are more complex with bending and torsion components atdifferent phases. Moreover, the blade mode shape and frequency also vary with nodal diameter. Lack ofopen resource of shrouded blade, there were less researches about shrouded blade test case on flutter. The initial blade geometry was from Di Qi’s 3D free standing blade test case. The material of the blade isTitanium. The aim of current study is to design a 3D test case for realistic shrouded blade flutter analysis. The geometryof the proposed shrouded blade test case was fully described in this thesis report. ANSYS ICEM was usedfor presenting the geometry and generating mesh. ANSYS APDL was used for structural analysis.Parameters of shroud parts were based on literature reviews and engineers’ general suggestions. The modeshapes for the first family of modes were calculated and reported. / Ett höljeblad utformades som ett testfall för fladderanalys av ångturbin. Flutter är en självupphetsadvibration. Det kan leda till dramatisk bladförlust och högcykelutmattning. Höljeblad är mer kompliceratvid fladderanalys, eftersom modeformerna är mer komplexa med böjnings- och torsionskomponenter iolika faser. Dessutom varierar bladformsformen och frekvensen också med noddiameter. Brist på öppenresurs av höljet blad, det fanns mindre undersökningar om höljet blad test fall på flutter. Den ursprungligabladgeometrin var från Di Qis 3D frittstående bladprovfall. Bladets material är titan. Syftet med den aktuella studien är att designa ett 3D-testfall för realistisk hävd bladflöjtsanalys. Geometrinhos det föreslagna höljet av bladsprov beskrivs fullständigt i denna avhandlingsrapport. ANSYS ICEManvändes för att presentera geometrin och det genererande nätet. ANSYS APDL användes för strukturellanalys. Parametrar av höljesdelar baserades på litteraturrecensioner och ingenjörers allmänna förslag.Modeshistorierna för den första familjen av lägen beräknades och rapporterades.

Aeromechanics is one of the main limitations for more efficient, lighter, cheaper and reliable turbomachines, such as steam or gas turbines, as well as compressors and fans. In fact, aircraft engines designed in the last few years feature more slender, thinner and more highly loaded blades, but this trend gives rise to increased sensitivity for vibrations induced by the fluid and result in increasing challenges regarding structural integrity of the engine. Forced vibration as well as flutter failures need to be carefully avoided and an important parameter predicting instabilities in both cases is the aerodynamic damping. The aim of the present project is to numerically investigate aerodynamic damping in the first rotor of a transonic compressor (VINK6). The transonic flow field leads to a bow shock at each blade leading edge, which propagates to the suction side of the adjacent blade. This, along with the fact that the rotating blade row vibrates in different mode shapes and this induces unsteady pressure fluctuations, suggests to evaluate unsteady flow field solutions for different cases. In particular, the work focuses on the unsteady aerodynamic damping prediction for the first six mode shapes. The aerodynamic coupling between the blades of this rotor is estimated by employing a transient blade row model set in blade flutter case. The commercial CFD code used for these investigations is ANSYS CFX. Aerodynamic damping is evaluated on the basis of the Energy Method, which allows to calculate the logarithmic decrement employed as a stability parameter in this study. The least logarithmic decrement values for each mode shape are better investigated by finding the unsteady pressure distribution at different span locations, indication of the generalized force of the blade surface and the local work distribution, useful to get insights into the coupling between displacements and consequent generated unsteady pressure. Two different transient methods (Time Integration and Harmonic Balance) are employed showing the same trend of the quantities under consideration with similar computational effort. The first mode is the only one with a flutter risk, while the higher modes feature higher reduced frequencies, out from the critical range found in literature. Unsteady pressure for all the modes is quite comparable at higher span locations, where the largest displacements are prescribed, while at mid-span less comparable values are found due to different amplitude and direction of the mode shape. SST turbulence model is analyzed, which does not influence in significant manner the predictions in this case, with respect to the k-epsilon model employed for the whole work. Unsteady pressure predictions based on the Fourier transformation are validated with MATLAB codes making use of Fast Fourier Transform in order to ensure the goodness of CFX computations. Convergence level and discrepancy in aerodamping values are stated for each result and this allows to estimate the computational effort for every simulation and the permanent presence of numerical propagation errors. / Aeromekanik är en av huvudbegränsningarna för mer effektiva, lättare, billigare och mer pålitliga turbomaskiner, som ångturbiner, gasturbiner, samt kompressorer och fläktar. I själva verket har flygplansmotorer som designats under de senaste åren har fått tunnare och mer belastade skovlar, men denna trend ger upphov till ökad känslighet för aeromekaniska vibrationer och resulterar i ökande utmaningar när det gäller motorns strukturella integritet. Aerodynamiskt påtvingade vibrationer såväl som fladder måste predikteras noggrant för att kunna undvikas och en viktig parameter som förutsäger instabilitet i båda fallen är den aerodynamiska dämpningen. Syftet med det aktuella projektet är att numeriskt undersöka aerodynamisk dämpning i den första rotorn hos en transonisk kompressor (VINK6). Det transoniska flödesfältet leder till en bågformad stötvåg vid bladets främre kant, som sprider sig till sugsidan på det intilliggande bladet. I och med detta, tillsammans med det faktum att den roterande bladraden vibrerar i olika modformer och detta inducerar instationära tryckfluktuationer, syftar detta arbete på att utvärdera flödesfältslösningar för olika fal. I synnerhet fokuserar arbetet på prediktering av den instationära aerodynamiska dämpningen för de första sex modformen. Den aerodynamiska kopplingen mellan bladen hos denna rotor uppskattas genom att använda en transient bladradmodell uppsatt för fladderberäkningen. Den kommersiella CFD-koden som används för denna utredning är ANSYS CFX. Aerodynamisk dämpning utvärderas med hjälp av energimetoden, som gör det möjligt att beräkna den logaritmiska minskningen som används som en stabilitetsparameter i denna studie. De minsta logaritmiska dekrementvärdena för varje modform undersöks bättre genom att hitta den ostadiga tryckfördelningen på olika spannpositioner, som är en indikering av den lokala arbetsfördelningen, användbar för att få insikt i kopplingen mellan förskjutningar och därmed genererat ostabilt tryck. Två olika transienta metoder används som visar samma trend för de kvantiteter som beaktas med liknande beräkningsinsatser. Den första modformen är den enda med en fladderrisk, medan de högre modformerna har högre reducerade frekvenser, och ligger utanför det kritiska intervallet som finns i litteraturen. Instationärt tryck för alla moder är ganska jämförbart på de högre spannpositioner, där de största förskjutningarna föreskrivs, medan runt midspannet finns mindre jämförbara värden på grund av olika amplitud och riktning för modformen. SSTturbulensmodellen analyseras, som i detta fall inte påverkar predikteringen på ett betydande sätt. Det predikterade instationära trycket baserad på Fourier-transformationen valideras med MATLAB-koder som använder sig av Fast Fourier Transform för att säkerställa noggrannheten hos CFX-beräkningar. Konvergensnivå och skillnader i aerodämpningsvärden anges för varje resultat och detta gör det möjligt att uppskatta beräkningsinsatsen för varje simulering och uppskatta utbredningen av det numeriska felet.

Ventiler utgör en avgörande roll i det industriella samhället och används flitigt inom områden som säkerhet, filtrering och reglering av flöden. Säkerställandet av hållbarhet och drift av ventilen är därför ytters viktigt. Ventilen som undersöks har fyra packningsringar gjord av grafit. Grafitringarna leder till ett enklare underhåll, där tidsbesparingen vid isärplockningen av ventilen är 5 timmar jämfört med utan. Andra fördelar med grafitringarna är den starka motstånden mot höga temperaturer, rost och kemikalier. Nackdelen är dess svaga motstånd mot drag- och skjuvspänning. Syfte med studien är att få en ökad förståelse av värmebildningen över ventilen samt den medförande spänning som förekommer. En ökad förståelse av hur spänning bildas i ventilen kan leda till åtgärder som leder till minskad sprickbildning. Målen med studien är att med numeriska metoder och modeller bestämma spänningen vid tre driftfall, min, normal samt max. Spänningen vid grafitpackningen undersöks samt den maximala och minimala spänningen för hela ventilen. Ett kompletterande mål till studien är att undersöka värmeövergångstalen för simuleringar sedan jämföra dessa med empiriska ekvationer. Resultatet visade att den maximala spänningen över grafitområdet ligger på cirka 600 MPa, medan borttagningen av grafitringarna leder till en minskning på 9%. Den maximala spänningen för hela ventilen är lokaliserad på kopplingen mellan inloppet och skalet. Spänningen vid kopplingen är 6000 MPa, vilket är ett orimligt högt värde, då liknande studier visar värden på 200-600 MPa. Borttagning av grafitringarna leder inte till någon skillnad i maximalspänningen för hela ventilen. Från en spänningsaspekt kan ingen fördel med grafitringarna ses. Värmeöverföringstal från COMSOL-simuleringar, vilket använder sig av Navier-Stokes ekvationer, är markant högre vid höga tryck än värmeöverföringstal från empiriska ekvationer. Detta kan tyda på att empiriska ekvationer inte är tillämpbara för de höga tryck och temperaturer som studien undersöker. / Valves play an important role in the industrial society and are widely used in areas such as safety, filtration, and flow regulation. Ensuring the sustainability and operation of the valve is therefore of incredible importance. The studied valve contains four graphite packing rings. The use of graphite rings ensures easier maintenance, resulting in a time saving of 5 hours during disassembly compared to the removal of the graphite rings. Other advantages of graphite rings include their strong resistance to high temperatures, rust, and chemicals. However, their drawback lies in their weak resistance to tensile and shear stress. The purpose of the study is to gain a better understanding of the heat transport across the valve and the accompanying stress that occurs. Increased knowledge of stress formation in the valve can lead to ways to reduce crack formation in the future. The objectives of the study are to use numerical methods and models to determine the stress at three operating conditions, min, normal and max. The stress at the graphite gasket is investigated as well as the maximum and minimum stress for the entire valve. A complementary goal of the study is to investigate the heat transfer coefficients for simulations and compare these with empirical equations. The results show that the maximum stress over the graphite area is approximately 600 MPa, while the removal of graphite rings leads to a 9% reduction. The maximum stress for the entire valve is located at the connection between the inlet and the shell. The stress at the connection is 6000 MPa, which is unreasonably high compared to similar studies that report values of 200-600 MPa. The removal of graphite rings does not affect the maximum stress for the entire valve. From a stress perspective, no advantage of the graphite rings can be found. Heat transfer coefficients from COMSOL simulations, which use Navier-Stokes equations, are significantly higher at high pressures compared to those from empirical equations. This suggests that empirical equations are not applicable for the high pressures and temperatures investigated in the study.

No description available.

Optimization methods are commonly used to develop new products and are also an importantstep in more incremental design improvements. In the maritime industry, these methodsare often used to create more ecient vessels and to ful ll the environmental requirementsimposed by the IMO. In recent years, the adjoint method have been used more frequently.This method can be used to predict the inuence of some input parameters on a quantityin a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation.In this project, the adjoint method has been investigated and applied on a relevant case;how it can be used to reduce the drag of a twisted rudder by changing the twist angles.STAR-CCM+ has been used to perform the CFD and adjoint simulations. These resultshave been imported to CAESES, a CAD-modeler, which connects the adjoint results to thedesign parameters. The adjoint results indicate a possible change of the design parameter,the twist angle is modi ed based on these results and a new geometry of the rudder is constructedin CAESES. Furthermore, the numerical results indicates that the method can beused to reduce the drag on the rudder. One of the cases in the project achieved a reductionof the rudder drag by 3.35 % and the total drag decreased with 0.18 %. However, the othertwo cases did not achieve a reduction of the drag and hence further investigations needs tobe done.The adjoint method have the possibility to be a good optimization alternative for developmentof new products or in engineering-to-order processes. The option of connecting theadjoint results to design parameters is a great advantage. On the other hand, the method inthis project is not reliable and the reason for the contradictory results needs to be studiedfurther. / Optimeringsmetoder är vanligt förekommande när nya produkter utvecklas och är också ett viktigt steg i inkrementella designförbättringar. I sjöfartsindustrin används dessa metoder för att skapa effektivare fartyg och för att uppfylla miljökraven framtagna av IMO. På senare år har adjointmetoden börjat användas mer. Metoden kan användas för att förutspåindataparametrars inverkan på en kvantitet i en strömningsmekanisk beräkning, även kallat CFD. I det här projektet ska adjointmetoden utvärderas och hur den kan användas för att reducera motståndet på ett tvistat roder genom att ändra tvist vinklarna. STAR-CCM+ har använts för att utföra CFD- och adjointberäkningarna. Dessa resultat importerades till en CAD-modellerare, CAESES, som kopplar adjointresultaten till designvariabler. Resultaten från adjointsimuleringen indikerar en möjlig förändring av designvariabeln, som sedan ändras utefter detta resultat och en ny rodergeometri genereras av CAESES. De numeriska resultaten indikerar att adjointmetoden kan användas för att reducera motståndet på ett tvistat roder. I ett av fallen i projektet reducerades motståndet med 3,35 % och det totala motståndet för hela fartyget reducerades med 0,18 %. Däremot så påvisade två andra fall ingen förändring av rodermotståndet och anledningen till detta kräver ytterligare unders ökningar. Adjointmetoden har möjligheterna att bli ett bra alternativ i en optimeringsprocess och för utveckling av nya produkter. Möjligheten att koppla adjointresultaten till designvariabler är också en stor fördel. Däremot så är metoden i detta projekt inte så tillförlitlig och anledningen till de motsägelsefulla resultaten måste studeras ytterligare.

Recent improvements to concentrating solar dish systems lead to further focus on hybridization systems for small-scale power generation applications. Variability of the solar load creates new requirements for combustion systems. This thesis presents a CFD simulation of the air flow inside a new combustor design for the combination of an impinging air solar receiver and a MGT. The system consists of a LPP tubular combustor with radial main swirler and central pilot burner. Focus is made on the pressure loss at the downstream impinging cooling wall for appropriate flow distribution between reacting and bypass air. Heat transfer is not studied due to lack of time. A fully-hexahedral multi-zones mesh of the system without fuel injection has been generated with Ansys ICEM software, making use of its O-grid capabilities. A realizable k-epsilon model is used for turbulence modelling. Several impinging hole’s diameters are studied to find the right balance between the two streams. Streamlines are also observed to confirm the location of recirculation zones and recommend design improvements. / Nya förbättringar av koncentrerade solskålssystem leder till ytterligare fokus på hybridsystem för småskaliga applikationer för elproduktion. Ojämn solstrålning skapar nya krav på förbränningssystem. Detta examensarbete presenterar en CFD-simulering av luftflödet i en ny förbränningsdesign för en kombination av en solfångare med forcerad konvektionskylning och en mikrogasturbin (MGT). Systemet består av en LPP-rörbrännare med radiellt virvelsystem och central pilotbrännare. Studien fokuserar på tryckförlusten vid slaghålsväggen, som används för kylning vid förbränning, och lämplig flödesfördelning mellan reagerande- och förbigående flöde. Värmeöverföring studeras inte på grund av tidsbrist. Ett helt sexkantigt nät med flera zoner i systemet utan bränsleinsprutning har genererats med Ansys ICEM-programvara som använder O-nätfunktioner. En realiserbar k-epsilon-modell används för turbulensmodellering. Flera slaghålsdiametrar studeras för att hitta rätt balans mellan de två strömmarna. Även strömlinjer observeras för att bekräfta placeringen av återcirkulationszoner och kunna rekommendera förbättringar av designen.