Designing new materials with improved or tailored properties is one of the main goals of the chemists. Two common ways are mainly used to get a material with improved or new properties: blending or chemical synthesis. Chemical synthesis is an unlimited method to get new substances with well-defined properties even it is often time consuming and not seldom costly.A rheology study has shown a considerable increase in viscosity of 1% aqueous solutions, 40 and 120 times at 550C, for the graft copolymers with a composition 67 and 80% in PNIPAM respectively as temperature increases above 350C. This behaviour is also related with a critical concentration that has been found around 0.6% for the same copolymers. Fluorescence measurements have shown that this behavior is related with the hydrophobic character and aggregation of PNIPAM chains by increasing temperature over 350C. A dynamic light scattering study in dilute aqueous solutions by varying temperature could provide more information on the kind of the transition taking place and the nature of the particles formed as temperature increases. / Ο σχεδιασμός νέων υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες είναι ένας από τους κύριους στόχους των χημικών. Δύο είναι οι πιο συνηθισμένοι τρόποι που χρησιμοποιούνται κυρίως για τη παραλαβή ενός υλικού με βελτιωμένες ή νέες ιδιότητες: ανάμειξη ή χημική σύνθεση. Χημική σύνθεση είναι η μέθοδος όπου λαμβάνονται νέα υλικά με καθορισμένες ιδιότητες αλλά έχει ως μειονέκτημα το κόστος και είναι συχνά χρονοβόρα.Μετρήσεις ρεολογίας έδειξαν μια αξιοσημείωτη αύξηση στο ιξώδες του 1% υδατικού διαλύματος, από 40 μέχρι 120 φορές στους 550C, για συστάσεις του εμβολιασμένου συμπολυμερούς σε PNIPAM 67 εως 80% αντίστοιχα, καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από τους 350C. Επιπλέον αυτή η συμπεριφορά σχετίζεται με μια κρίσιμη συγκέντρωση που βρέθηκε ίση με 0,6% για τα ίδια συμπολυμερή. Μετρήσεις φθορισμού έδειξαν ότι αυτή η συμπεριφορά σχετίζεται άμεσα με τον υδρόφοβο χαρακτήρα του PNIPAM καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από τους 350C. Μετρήσεις με δυναμική σκέδαση φωτός σε αραιά υδατικά διαλύματα σε διάφορες θερμοκρασίες μπορούν να δώσουν επιπλέον πληροφορίες για τη μετάπτωση που λαμβάνει χώρα και τη φύση των σωματιδίων όσο η θερμοκρασία αυξάνεται.

Οι ζεόλιθοι ανήκουν στα νανοπορώδη υλικά ή αλλιώς και μοριακά κόσκινα. Βρίσκουν δε εφαρμογή σε πληθώρα εφαρμογών, καλύπτοντας ένα μεγάλο θερμοκρασιακό φάσμα. Η γνώση της απόκρισής τους κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας είναι καθοριστικής σημασίας για την αποδοτικότητά τους, ακόμα περισσότερο όταν εμφανίζονται ανώμαλα φαινόμενα, όπως αρνητικός συντελεστής θερμικής διαστολής. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην ερμηνεία αυτού του φαινομένου με την χρήση προσομοιώσεων και πειραμάτων σκέδασης ακτίνων Χ. Ένα νέο πεδίο δυνάμεων αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε προσομοιώσεις δυναμικής πλέγματος, όπου για πρώτη φορά προβλέπεται η συστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του σιλικαλίτη, όπως και η διαστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του αργιλοπυριτικού φωγιασίτη (NaX) πάνω από την θερμοκρασία δωματίου. Περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει πως υπεύθυνες για την συστολή κατά την θέρμανση είναι οι περιστροφές των τετραέδρων SiO4 και AlO4 από τα οποία απαρτίζεται η δομή. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με τον μηχανισμό των περιστροφών άκαμπτων μονάδων που προτείνεται στην βιβλιογραφία (R.U.M.). Στη συνέχεια υπολογίζονται μηχανικές ιδιότητες του υλικού, όπως το μέτρο Young και το μέτρο ελαστικότητας όγκου. Τέλος μελετήθηκε η απόκριση της δομής των ζεολίθων σε ερεθίσματα πέραν της θερμοκρασίας, όπως μεταβολή πίεσης και ρόφηση μορίων. Χαρακτηριστικά καταλήγουμε πως η δομή αποκρίνεται στην άσκηση της πίεσης μέσω του ίδιου μηχανισμού που καθορίζει της θερμοκρασιακή της απόκριση, δηλαδή τις περιστροφές των άκαμπτων ή σχεδόν άκαμπτων τετραέδρων. Επίσης, σε ό, τι αφορά την επίδραση της ρόφησης, η παρουσία των μορίων εξανίου, παρόλο επιφέρει δομικές αλλαγές που βελτιώνουν την αποδοτικότητα των ζεολιθικών μεμβρανών, αυτές οι αλλαγές δεν επηρεάζουν τις ροφητικές ιδιότητες στο εσωτερικό του κρυστάλλου. / Zeolites are nanoporous materials, otherwise called molecular sieves. The knowledge of the response of a zeolite structure to temperature changes or to the presence of host molecules in the pore system is of critical significance for the performance of zeolites as molecular sieves, especially if they are prepared in the form of membranes. Crack formation or grain boundary openings may appear between the substrate and the membrane due to a mismatch between the thermal expansion coefficient of the two materials, affecting the sorption and selectivity properties of the membrane. The problem is enhanced when the zeolite shows negative thermal expansion coefficient. The present work focuses in the mechanism that lies behind contraction upon heating, with the use of simulations and powder XRD experiments. A new force field was developed and was implemented in lattice dynamics simulations. It’s the first time that simulations predict the contraction of silicalite unit cell as well as the expansion of aluminosilicate faujasite (NaX) unit cell above room temperature. Further analysis of the simulation data shows that the Rigid Unit Mode (R.U.M.) mechanism that is proposed in the literature is the dominant mechanism of thermal contraction of the zeolite. Furthermore, mechanical properties such as Young modulus and bulk modulus were computed with the use of the newly derived force field. Finally, the response of framework upon pressure change and sorption of molecules was investigated. The zeolite structure response upon pressure change is similar to this of the temperature response, meaning that the volume and atomic positions change with the help of the rotations of the rigid AlO2/SiO2 tetrahedra. Concerning the response upon sorption, is was found with the help of theoretical calculations that although unit cell size variations that are induced by temperature changes and/or sorption may affect the efficiency of silicalite-1 membrane performance through alteration of the size of the non-zeolitic pores, such changes appear to affect negligibly the bulk sorption capacity of the silicalite-1 crystals.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η προσομοίωση της ροής και της μεταφοράς θερμότητας σε ηλιακά και ενεργειακά συστήματα. Η έμφαση δόθηκε στις δεξαμενές αποθήκευσης της θερμότητας που παράγεται στα συγκεκριμένα συστήματα, με στόχο τον χαρακτηρισμό των ενεργειακών απωλειών και την βελτιστοποίηση του σχεδιασμού τους. Κύριες δραστηριότητες της διατριβής θα είναι η περαιτέρω ανάπτυξη διαθέσιμων εργαλείων προσομοίωσης ροών φυσικής και μικτής συναγωγής, με διερεύνηση των νεώτερων εξελίξεων στην μοντελοποίηση με τη μέθοδο Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών (LES). Αρχικά γίνεται εκτεταμένη επικύρωση με πειραματικά αποτελέσματα σε απλές γεωμετρικές διατάξεις (π.χ. ορθογωνικά κανάλια ή κοιλώματα με βαθμίδα θερμοκρασίας) από την βιβλιογραφία. Στη συνέχεια η μεθοδολογία εφαρμόζεται στον υπολογισμό ροών σε πιο ρεαλιστικές γεωμετρίες, επιλεγμένες από πρακτικές εφαρμογές, όπως οι δεξαμενές αποθήκευσης νερού. Αναλύονται σε βάθος οι δυναμικές διεργασίες και τα ροϊκά φαινόμενα τόσο κατά την προσαγωγή της θερμότητας στη δεξαμενή (φόρτιση) όσο και κατά την απαγωγή της (εκφόρτιση) και η επίδραση που έχουν αυτά στην αποδοτικότητα της αποθήκευσης με βάση κατάλληλους ποσοτικούς δείκτες. Από τα αποτελέσματα αναδεικνύεται η σημασία της μοντελοποίησης σε τέτοιου είδους συστήματα ως ένα σημαντικό εργαλείο στη διερεύνηση της απόδοσης τους, του ενεργειακού χαρακτηρισμού τους και ακολούθως στην προσπάθεια επίτευξης του βέλτιστου σχεδιασμού τους. / The subject of the thesis is the Simulation of Turbulent Flow and Heat Transfer in Solar and Energy Systems. Emphasis is given in the thermal storage component of these systems, with the aim of characterizing their energy losses and improve their design. Main activities of the thesis will be the further development of available computational tools for the simulation of flows in natural and mixed convection, incorporating some of the most recent developments in modeling, particularly in the Large Eddy Simulation (LES) method. Initially, an extensive validation with experimental results in simple geometric configurations is carried out (e.g. channels or differentially heated cavities). Subsequently, the methodology is applied in the calculation of flows for more realistic geometries selected from practical applications, such as various hot water storage tanks. Analysis is conducted of the dynamic processes and relevant physical phenomena during the heat supply (charging) to and removal (discharging) from the tank and their influence on the storage effectiveness using appropriate thermodynamic indices. From the simulation results, the significance of the flow and heat transfer modeling in these systems as a practical tool for studying their performance is demonstrated, by characterizing their energy content and significantly contributing to the process of optimizing their design.

Τα δομικά στοιχεία των μηχανολογικών κατασκευών υπόκεινται σε επαναλαμβανόμενες κυκλικές καταπονήσεις, από τις οποίες δημιουργούνται και διαδίδονται ρωγμές. Οι καταπονήσεις αυτές, οι οποίες προκαλούν κόπωση στις κατασκευές, μπορεί να είναι είτε καθαρά μηχανικές είτε θερμικές ή να προκύπτουν σα συνδυασμός θερμικής και μηχανικής φόρτισης. Τυπικές περιπτώσεις θερμικών και θερμομηχανικών φορτίσεων εμφανίζονται σε κατασκευές, όπως σωλήνες κυκλωμάτων ψύξης, πιεστικά δοχεία, συνιστώσες ηλεκτρικών κυκλωμάτων, θάλαμοι μηχανών εσωτερικής καύσης και πτερύγια στροβιλοκινητήρων. Η κυκλική μεταβολή του θερμικού φορτίου στις προαναφερθείσες περιπτώσεις, συνιστά συνθήκες θερμικής κόπωσης. Επίσης, λόγω της σχετικά υψηλής συχνότητας του φορτίου η θερμοκρασία παρουσιάζει έντονη μεταβολή στο χώρο και στο χρόνο. Ο προσδιορισμός της διάρκειας ζωής ενός δομικού στοιχείου κατά τη φάση του σχεδιασμού μπορεί να γίνει με τη βοήθεια πειραματικών διαδικασιών. Τα πειράματα όμως κόπωσης είναι δαπανηρά και χρονοβόρα και προφανώς απαιτούνται περισσότερες από μια πειραματικές δοκιμές. Οπότε, είναι εύλογο να υπάρχουν υπολογιστικά εργαλεία που να δίνουν τη δυνατότητα στο μηχανικό να εκτιμήσει την διάρκεια ζωής ή τη σοβαρότητα της βλάβης ενός εξαρτήματος. Τα περισσότερα υπολογιστικά μοντέλα αναφέρονται σε καθαρά μηχανικές καταπονήσεις. Έτσι υπάρχει πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων για την ανάλυση προβλημάτων θερμικής και θερμομηχανικής κόπωσης. Τέτοιου είδους εργαλεία θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το κλείσιμο των ρωγμών, που συμβαίνει λόγω των θερμικών παραμορφώσεων, διότι είναι δυνατόν να επηρεάζεται τοπικά το θερμοκρασιακό πεδίο. Επομένως, χρειάζεται επαναληπτική διαδικασία για τον προσδιορισμό του θερμικού και τασικού πεδίου που αλληλεπιδρούν. Είναι προφανές ότι η ανάλυση της θερμικής κόπωσης εξελίσσεται σε συνθέτη διαδικασία, που θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει τον υπολογισμό της κατανομής της θερμοκρασίας, την τοπική επίδραση του άκρου της ρωγμής στο τασικό πεδίο καθώς και την επαφή των επιφανειών της ρωγμής. Η μέθοδος των συνοριακών στοιχείων είναι ικανή να αντιμετωπίζει τέτοιου είδους τοπικές επιδράσεις. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη υπολογιστικού εργαλείου βασισμένου στα συνοριακά στοιχεία, για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών και την εκτίμηση της διάρκειας ζωής, εξαρτημάτων υπό θερμική και θερμομηχανική κόπωση. Έμφαση δίνεται σε περιπτώσεις που το θερμικό φορτίο προκαλεί κλείσιμο της ρωγμής και σε περιπτώσεις διεπιφανειακών ρωγμών, όπου το θερμοκρασιακό πεδίο επηρεάζεται από την θερμική αντίσταση ανάμεσα στις επιφάνειες της ρωγμής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση σε εργασίες που εστιάζουν σε φαινόμενα κόπωσης και διάδοσης ρωγμών, καθώς και στην ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών. Επιπλέον, προσδιορίζεται λεπτομερώς το αντικείμενο της παρούσας διατριβής και εξηγείται η συνεισφορά της και τα καινοτόμα σημεία της. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η ιδιόμορφη συμπεριφορά του άκρου της ρωγμής, δίνονται οι διατυπώσεις των μεγεθών θραύσης που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση της κόπωσης και αναφέρονται τρόποι με τους οποίους μελετάται η διάδοση ρωγμών. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται λεπτομερώς οι ολοκληρωτικές συνοριακές διατυπώσεις για την επίλυση προβλημάτων θερμοελαστικότητας. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι υπολογιστικές διαδικασίες που ακολουθούνται στην παρούσα εργασία για τον προσδιορισμό του πεδίου θερμοκρασιών και μετατοπίσεων, καθώς και ο τρόπος που προσομοιώνεται η διάδοση ρωγμής. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις για διάφορες περιπτώσεις, ενώ στο έκτο κεφάλαιο εξάγονται συμπεράσματα και διατυπώνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The prediction of fatigue life is essential for the integrity and reliability of a structure when designing engineering components that undergo cyclic loading. In most cases, the mechanical cyclic loads are taken into account in order to evaluate the life and damage tolerance of structures with existing cracks. However, there exists a category of structures that experience severe thermal cycling that acts alongside the mechanical loads. Such structures include cooling system pipes, pressure vessels, pistons and combustion chambers of internal combustion engines, gas turbine blades and components of electrical circuits. Interfacial crack growth is of paramount importance when designing components that are protected by thermal barrier coatings in order to increase their endurance and efficiency. These types of structures are exposed to very intense thermo-mechanical cycling, which gradually causes delamination and eventually leads to spallation of the coating Numerical simulations, via the finite element method, are a common trend, when analysing the endurance of coated components. However, important aspects such as the heat exchange between the contacting faces and friction are not taken into account in fracture assessments of these components. The boundary element method is very attractive for crack-growth analyses because only the boundary is meshed, rather than the whole domain of the problem. In the present thesis, the boundary integral equations of uncoupled, time-dependent thermo-elasticity are employed to account for the time-varying nature of the thermal load. Our study discusses the influence of crack closure on quasi-static, sub-critical crack extension in the presence of thermo-mechanical cyclic loading. Appropriate thermal and mechanical boundary conditions are imposed on the numerical model to account for the contact state. The validity of the code to compute the temperature distribution under thermal cycling is checked through analytical solutions. Afterwards, a pure mode-I and mixed mode fracture problems in homogeneous material are analysed and the results are compared to other boundary element solutions. The singularity resulting from tractions and heat flux around the crack tip is effectively captured by singular quarter-point elements, while the fracture magnitudes can be computed using appropriate traction formulas. In these problems, the fatigue life is evaluated in terms of load cycle when the crack closure is considered. The number of cycles required for an existing crack to grow a certain length can be empirically predicted using the Paris’ law. The crack extension angle is evaluated by means of the maximum circumferential stress. The results are discussed, clearly indicating the impact of crack closure on fatigue life evaluation. The main conclusion is that crack closure should be incorporated into the analysis whenever the contact effect is inevitable. Otherwise, the fatigue life may be underestimated, leading to a conservative design. Finally, the sub-domain boundary element procedure is applied to interfacial cracks where the crack closure is more pronounced. Specifically, a case of a thermal barrier coating system is investigated. The thermal resistance between the contacting crack faces is incorporated into the procedure and it is assumed to be dependent on the contact pressure. If crack closure due to thermal distortion takes place, then the displacement and traction field may affect the heat flux between the crack faces, and the thermal and mechanical parts of the problem will need to be solved repeatedly until thermo-mechanical convergence is achieved. The results suggest that there are significant effects on the behaviour of stably growing cracks and the evaluation of failure capacity, emanating from crack closure, the amount of thermal resistance and the phase angle between the mechanical and thermal loads.