Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (DFIG), την εξαγωγή μαθηματικών μοντέλων στο χώρο κατάστασης σε κανονική λειτουργία και σε λειτουργία με γραμμή μεταφοράς, την ενσωμάτωση PI ελέγχου της άεργου ισχύος στην πλευρά του δικτύου και τέλος την προσομοίωση του μοντέλου (με και χωρίς γραμμή μεταφοράς) σε περιβάλλον Matlab και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Ειδικότερα Στο Κεφάλαιο 1 ξεκινάμε με μια επισκόπηση του ενεργειακού ζητήματος και την μέχρι τώρα χρήση της ενέργειας, παρουσιάζοντας τους λόγους που οδηγούμαστε προς τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) και κατ’ επέκταση στην εκμετάλλευση της αιολικής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική παρουσίαση των αιολικών συστημάτων. Περιγράφεται η εκτίμηση του αιολικού δυναμικού, η αεροδυναμική μετατροπή και ο έλεγχος της ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική, καθώς και η τεχνολογία των ανεμογεννητριών, όπως διάφορα συστήματα και τύποι που βρίσκονται στην αγορά. Έπειτα στο Κεφάλαιο 3 ερχόμαστε σε επαφή με την DFIG, τα μέρη από τα οποία αποτελείται και τις δυναμικές εξισώσεις που την χαρακτηρίζουν, σύμφωνα με την θεωρία του διανυσματικού ελέγχου, σε ένα σύστημα κάθετων αξόνων. Με το Κεφάλαιο 4 περνάμε στην δυναμική περιγραφή της μηχανής στο χώρο κατάστασης έχοντας τοποθετήσει μεταξύ δικτύου και μηχανής μια γραμμή μεταφοράς, παρουσιάζοντας το πλήρες μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει την λειτουργία της. Επίσης μελετώνται και τρόποι ελέγχου της DFIG. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η προσομοίωση της μηχανής σε περιβάλλον Matlab, ενώ απεικονίζονται διαγράμματα που δείχνουν την συμπεριφορά της μηχανής σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας της. Τέλος στο Κεφάλαιο 6 εξάγονται τα συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις στην περίπτωση κανονικής λειτουργίας και λειτουργίας με γραμμή μεταφοράς. / --

Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η περαιτέρω κατανόηση και ποσοτική σύνδεση φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε πορώδη μέσα με τα αντίστοιχα φαινόμενα στην κλίμακα λίγων πόρων. Η επέκταση των αποτελεσμάτων από την κλίμακα πόρου στην κλίμακα του πορώδους μέσου δεν είναι προφανής και για το λόγο αυτό η τοπολογία και μορφολογία της πορώδους δομής αντιμετωπίζονται εδώ με δίκτυα πόρων, με έμφαση στα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στις διασταυρώσεις, αλλά και με ψηφιακές αναπαραστάσεις της δομής με βάση μικροφωτογραφίες δείγματος του υλικού. Συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή εξετάζεται η διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε δίκτυα πόρων, παρουσιάζεται μία καινούργια τεχνική ανακατασκευής ανομοιογενών πορωδών υλικών και αναπτύσσεται μια μέθοδος προσομοίωσης της ροής αερίων δια μέσου ανακατασκευασμένων πορωδών υλικών στη μεταβατική περιοχή ροής όπου η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων ενός αερίου είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των πόρων οπότε και παύει να ισχύει η συνήθης παραδοχή του συνεχούς. Η επίδραση της ανάμειξης μέσα σε πόρους ή στις διασταυρώσεις πόρων/ρωγμών στη διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε πορώδη μέσα ερευνήθηκε μέσα από την ανάπτυξη και χρήση διαφορετικών τεχνικών προσομοίωσης με έμφαση στις λεπτομέρειες της ροής και της μεταφοράς μάζας στην περιοχή της διασταύρωσης. Βρέθηκε ότι μία νέα μέθοδος τυχαίου περιπάτου αναπαράγει με καλή ακρίβεια το συντελεστή διασποράς σε χαμηλές και μεσαίες τιμές του Peclet, χάρη στο γεγονός ότι λαμβάνει υπ’ όψη την ανάντι της ροής κίνηση των σωματιδίων και τους διαφορετικούς χρόνους παραμονής μέσα σε κάθε κλάδο. Παράλληλα αναπτύχθηκε μία καινοτόμος μέθοδος ανακατασκευής πορωδών μέσων. Η τεχνική στηρίζεται στο διφασικό πρότυπο δικτύου Boltzmann, το οποίο περιγράφει την εξέλιξη συστημάτων υγρού-αερίου υπό την επίδραση της διεπιφανειακής τάσης. Ο μηχανισμός αυτός οδηγεί στη δημιουργία συσχετισμένων δομών, όπου τόσο η μορφολογία του πορώδους μέσου όσο και ο βαθμός συσχέτισής του καθορίζονται από τις λειτουργικές παραμέτρους του προτύπου. Η τεχνική εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πραγματικό δείγμα εδάφους με αφετηρία την πληροφορία που δίνεται από μία μικροφωτογραφία μίας στατιστικά χαρακτηριστικής τομής του. Τέλος, μελετήθηκε η ροή αερίων σε πορώδη μέσα, σε πεπερασμένους αριθμούς Knudsen, όπου η μέση διάμετρος των πόρων είναι της ίδιας τάξης με τη μέση ελευθέρα διαδρομή των μορίων του αερίου. Η μελέτη έγινε με τη μεσοσκοπική μέθοδο DSMC. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας της μεθόδου και της παρούσας υλοποίησής της έγινε μέσω της μελέτης της ισοθερμοκρασιακής ροής αερίου μεταξύ παραλλήλων πλακών. Παράλληλα υπολογίστηκε το δυναμικό ιξώδες αερίου σε συνθήκες υψηλής αραίωσης και παρουσιάστηκε η εξάρτησή του από τον αριθμό Knudsen. Βρέθηκε ότι τα αποτελέσματα προσεγγίζονται ικανοποιητικά από μία αναλυτική έκφραση τύπου Bosanquet που συσχετίζει το αποτελεσματικό ιξώδες με την τιμή του στο όριο του συνεχούς και με τον αριθμό Knudsen. Επιπρόσθετα μελετήθηκε για πρώτη φορά με τη μέθοδο DMSC η ροή αερίων σε υπολογιστικά ανακατασκευασμένες πορώδεις δομές. Επιβεβαιώθηκε το φαινόμενο του Klinkenberg και η γραμμική εξάρτηση του συντελεστή διαπερατότητας από την αντίστροφη πίεση. Τέλος χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα υπολογισμού της ροής στη μεταβατική περιοχή μέσω ανάπτυξης προτύπου δικτύου Boltzmann, κατάλληλα τροποποιημένου για ροές σε συνθήκες αραίωσης. Το πρότυπο δοκιμάστηκε τόσο στην περίπτωση ροής μεταξύ παραλλήλων πλακών όσο και σε ροή σε πορώδη μέσα όπου η συμφωνία με τη μέθοδο DSMC βρέθηκε πολύ ικανοποιητική. / The aim of the present study is the further understanding and quantification of transport phenomena in porous media and their connection with the phenomena in the scale of a few pores. The extension of the results from the pore-scale to the scale of the porous medium is not obvious and for this reason the representation of the porous medium is treated both with pore-networks and digital reconstruction. Specifically, in this study it is examined the dispersion of molecules of a solute in porous networks, a new reconstruction technique is presented for heterogeneous granular materials and also a methodology is developed for the study of gas flow in reconstructed porous media in the transient regime, where the mean free path of the gas molecules is comparable with the characteristic length of the pores and thus the continuum description is no longer valid. The effect of the mixing in the pores or the junctions of the pores on the dispersion of molecules of a solute in porous media is examined through various simulation techniques with emphasis on the details of the flow and mass transport in the area of the junction. It was found that a new random-walk technique is reproducing with good accuracy the dispersion coefficient for low and average values of the Peclet number, due to the fact that it takes into account the backwards, with respect to the main direction of the flow, movement of the molecules and the different residence time in each branch. Furthermore, a new reconstruction technique was developed for porous media. The technique is based on 2-phase lattice Boltzmann model, which describes the evolution of a gas-liquid system under the influence of the surface tension. This mechanism leads to the creation of correlated structures, where the morphology of the porous medium and the correlation factor are determined by the operating parameters of the model. The technique was applied successfully for the reconstruction of a real soil sample, starting from the information that is solely given from a microphotograph of a statistically adequate section of the material. Finally, the gas flow through porous media was examined at moderate Knudsen numbers, where the mean diameter of the pores is of the same order of magnitude with the mean free path of the gas molecules. The study was done mainly with the mesoscopic DSMC technique. The credibility of the technique was examined through the study of the isothermal gas flow through parallel plates. Additionally, the dynamic viscosity of a gas under rarefaction conditions was calculated and its dependence on the Knudsen number was shown. It was found that the results are approximated satisfactorily with an analytical Bosanquet-type equation that relates the effective viscosity with its value at the continuum limit and with the Knudsen number. Furthermore, it was studied for the first time with the DSMC method the gas flow through reconstructed porous media. The Klinkenberg effect was confirmed and the linear dependence of the permeability coefficient on the inverse pressure was shown. Finally an alternative approach was used for the calculation of gas flow though porous media in the transient regime through the development of a lattice Boltzmann model suitably modified for rarefied gas flows. The model was tested for the case of flow through parallel plates as well as for the case of flow through porous media and the agreement with the DSMC method was very satisfactory.

Η σφυρηλάτηση με βολή σωματιδίων (shot peening) είναι μία επιφανειακή κατεργασία που πραγματοποιείται με σκοπό την αύξηση της αντοχής μεταλλικών υλικών και εφαρμόζεται στο τελευταίο στάδιο της γραμμής παραγωγής. Η αύξηση της αντοχής επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων κοντά στην επιφάνεια του υλικού έπειτα από την κρούση σωματιδίων με υψηλές ταχύτητες. Η ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων αυξάνει την αντοχή σε κόπωση, σε εργοδιάβρωση, καθώς και σε άλλες μηχανικές καταπονήσεις και επιτρέπει την μείωση του βάρους σχεδιάζοντας διατομές με μικρότερο πάχος. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας και εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των υπό κατεργασία υλικών σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης. Συγκεκριμένα η μεθοδολογία που αναπτύσσεται περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου για την προσομοίωση της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων και τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της στο υλικό. Τα βήματα που ακολουθηθήκαν για την ανάπτυξη του αριθμητικού προτύπου είναι, α) ο χαρακτηρισμός του κράματος αλουμινίου 7449-Τ7651 σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης μέσω της πειραματικής διάταξης Split Hopkinson Bar που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών, β) η ανάπτυξη βοηθητικών επιμέρους αριθμητικών μοντέλων, γ) η ανάπτυξη κινηματικών μοντέλων προσομοίωσης της ροής των σωματιδίων, δ) η ανάπτυξη κριτηρίων και η εφαρμογή τους για τον υπολογισμό του ελαχίστου απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων για την προσομοίωση, καθώς και των θέσεων κρούσης, ε) η ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου πλήρους γεωμετρίας της πλάκας για την κρούση του απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων και στ) η πειραματική επαλήθευση του αριθμητικού προτύπου. Με το αριθμητικό πρότυπο που αναπτύχτηκε υπολογίστηκαν τα αποτελέσματα της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων στο υλικό και επιβεβαιώθηκαν μέσω συγκρίσεων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αποτελέσματα της κατεργασίας εκτός από τις παραμένουσες τάσεις αποτελούν και η πλαστική παραμόρφωση, η σκληρότητα, η επιφανειακή τραχύτητα και κατ' επέκταση ο συντελεστής έντασης τάσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια παραμετρική μελέτη για την επίδραση της διαμέτρου, της ταχύτητας και της γωνίας κρούσης στην ανάπτυξη των παραμενουσών τάσεων. Επίσης το αριθμητικό πρότυπο επαληθεύτηκε και για άλλα μεταλλικά υλικά. / Shot peening is a surface treatment process that is performed to increase the strength of metallic materials and is applied to the last stage of the production line (post manufacturing process). The increase in strength is achieved by the developed compressive residual stresses near the surface and the subsurface of the treated material after the impact of small diameter particles with high speeds. The developed compressive residual stresses increases the fatigue strength, the mechanical performance of the component under stress corrosion cracking (SCC), under higher stresses and allows lighter structure design. This PhD thesis presents a comprehensive numerical simulation of the Shot peening process and includes a comprehensive study of the mechanical behaviour of treated materials under high strain rates of deformation. Specifically, the methodology developed includes the development of a comprehensive numerical model to simulate Shot peening treatment and calculate the results on the treated material. The steps followed for the development of the numerical model are: a) the characterization of the Aluminium alloy 7449-T7651 at high strain rates using a Split Hopkinson Bar apparatus designed and built at the Laboratory of Technology and Strength of Materials, b) the development of auxiliary partial numerical models, c) the development of a kinematic simulation model for the analysis of the flow particles, d) the development and the application of two criteria for the successful calculation of the minimum number of particles that required for the simulation, and the impact positions e) the development of a numerical model describing the full plate geometry for the impact of the minimum number of particles required and f) the experimental verification of the numerical model. The process outcomes and results on the treated material were calculated by the numerical model developed. The numerical results that were calculated for the threaded material were confirmed by comparison with experimental results. Treatment results include the residual stresses, the plastic deformation, hardness, surface roughness, and hence the stress concentration factor. A parametric study on the effect of the diameter, speed and angle of impact to the development of residual stresses was performed. The numerical model was also verified for a number of other metallic materials.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε, μέσω του προγράμματος Matlab και συγκεκριμένα μέσω της εργαλειοθήκης Simulink, ένα υβριδικό μικροδίκτυο το οποίο αποτελούνταν από μια φωτοβολταϊκή διάταξη των 85W, ένα συσσωρευτή ιόντων-λιθίου (Liion battery), δυο DC-DC μετατροπείς και ένα R-L φορτίο. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν 4 διαφορετικές τεχνικές ελέγχου σε 2 σημεία, έναν στην πλευρά του φωτοβολταϊκού και έναν στην πλευρά της μπαταρίας. Ο έλεγχος στην πλευρά του φωτοβολταϊκού στόχευε το ρεύμα του φωτοβολταϊκού κάθε χρονική στιγμή να έχει την κατάλληλη τιμή προκειμένου να επιτυγχάνεται η μέγιστη ισχύς μέσω σημείου απόδοσης της μέγιστης ισχύος (MPPT). Ο έλεγχος στην πλευρά της μπαταρίας έχει ως σκοπό την διατήρηση της τάσης του φορτίου στα 100 V.(Vload_reference=100V). Οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν ήταν με χρήση PI ελεγκτών, έλεγχοι εκμεταλλευόμενοι την παθητικότητα του Euler-Lagrange συστήματος (PBC), με χρήση ασαφών (fuzzy) ελεγκτών και με χρήση νευρο-ασαφών (neuro-fuzzy) ελεγκτών. / In this diploma thesis a DC hybrid microgrid was simulated by using the program Matlab and specifically the toolbox Simulink. The microgrid consists of a photovoltaic array, a Li-ion battery storage, two DC-DC converters and an R-L load. Four different control methods were then applied to our system in 2 places, one on the photovoltaic array and one on the battery. The one on the photovoltaic array aimed that the PV current would be such that every time the maximum power from the PV would be achieved through a maximum power point tracker. The one on the battery has the purpose of maintaining the load voltage at 100 Volts. The control methods which were implied were PI controllers, passivity based control, fuzzy controllers and neuro-fuzzy controllers.

Dendrimers are a class of monodisperse polymeric macromolecules with a well defined and highly branched three-dimensional architecture. Their well-defined structure and structural precision makes them outstanding candidates for the development of new types of multifunctional super-molecules and materials with applications in medicine and pharmacy, catalysis, electronics, optoelectronics, etc. Liquid Crystalline Dendrimers (LCDrs) are a relatively new class of super-molecules which are based on the functionalization of common dendrimers with mesogenic (liquid crystalline) units. The combination of the fascinating molecular properties of the common dendrimers with the directionality of the mesogenic units have produced a novel class of liquid crystal forming super-mesogens (LCDRs) with unique molecular properties that allow novel ways of supramolecular self-assembly and self-organisation. This work is mainly concerned with the computational modelling of LCRs. A coarse grain strategy is adopted for the development of computational tractable models which take explicitly into account the specific architecture, the extended flexibility and the shape anisotropy of the mesogenic units of LCDRs. The developed force field applies easily to a variety of dendritic architectures. Utilizing Monte Carlo computer simulations we study the structural and conformational behavior of single LCDrs and of systems of LCDrs either in confined geometries or in the bulk. Special emphasis is given on the modeling of the response of LCDRS on externally applied alignment fields. External fields might be fictitious aligning potentials which mimic electric or magnetic fields or fields induced by the confining substrates. The surface alignment of liquid crystalline dendrimers (LCDrs) is a key factor for many of their potential applications. We present results from Monte Carlo simulations of LCDrs adsorbed on flat, impenetrable aligning substrates. A tractable coarse-grained force field for the inter-dendritic and the dendrimer-substrate interactions is introduced. The developed force field is based on modifications of well-known interaction potentials that can be used either with MC or with molecular dynamics simulations. We investigate the conformational and ordering properties of single, end-functionalized LCDrs under homeotropic, random (or degenerate) planar and nidirectional planar aligning substrates. Depending on the anchoring constrains to the mesogenic units of the LCDr and on temperature, a variety of stable ordered LCDr states, differing in their topology, are observed and analyzed. The influence of the dendritic generation and core functionality on the surface-induced ordering of the LCDrs are examined. The study has been extended to system of LCDrs confined in nano-pores of different shapes and sizes under several anchoring conditions. Two basic confining geometries (pores) considered in this work: slit and cylindrical pores. In each confining geometry, different anchoring conditions are imposed. The Isobaric-Isothermal (NPT) Monte Carlo Simulation is used to investigate the thermodynamic and structural properties of these nano-confined systems. The ransmission of orientational and positional ordering from the surface to the middle region of the pore depends on the size of the pore as well as on temperature and on anchoring strength. In the case of cylindrical pore, alignment propagation is short ranged compared to that of slit-pore. As a benchmark of our coarse-grained modelling strategy, we have extended and tested our coarse grained Force Field for the study of Janus-like dendrimers confined on planar substrates. The obtained results indicate the capability of our model to capture successfully the highly amphipilic nature of these class dendrimers and their self-organisation properties. / Τα δενδριμερή είναι μία κατηγορία μονοδιάσπαρτων πολυμερικών μακρομορίων με δενδρόμορφη τρισδιάστατη αρχιτεκτονική. Η μοριακή αρχιτεκτονική τους και η μονοδιασπορά τους καθιστούν τα δενδριμερή ιδανικά ως πολυλειτουργικά υπερ-μόρια με εφαρμογές στην ιατρική και τη φαρμακολογία, την κατάλυση, την ηλεκτρονική και οπτοηλεκτρονική κλπ. Τα Υγρό-Κρυσταλλικά Δενδριμερή (ΥΚΔ) είναι μια σχετικά νέα κατηγορία υπερ-μορίων που βασίζονται στη χημική τροποποίηση των κοινών δενδριμερών με μεσογόνες (υγρόκρυσταλλικές) μοριακές μονάδες. Ο συνδυασμός των ιδιαίτερων μοριακών ιδιοτήτων των κοινών δενδριμερών με την κατευθυντικότητα των μεσογόνων έχουν οδηγήσει σε μια νέα κατηγορία υπερ-μεσογόνων (ΥΚΔ) με μοναδικές μοριακές ιδιότητες που επιτρέπουν νέους τρόπους (υπερ)μοριακής αυτο-συναρμολόγησης και αυτο-οργάνωσης. Η εργασία αυτή ασχολείται με τη μοντελοποίηση και την υπολογιστική προσομοίωση ΥΚΔ. Εισάγονται οι αρχές για μια αδροποιημένη μοντελοποίηση ΥΚΔ που να λαμβάνει ρητά υπόψη την ειδική αρχιτεκτονική, την εκτεταμένη μοριακή ευκαμψία και την ανισοτροπία σχήματος των μεσογόνων του ΥΚΔ. Τα δυναμικά αλληλεπιδράσεων που εισάγονται επιτρέπουν τη μοντελοποίηση ποικίλων δενδριτικών αρχιτεκτονικών. Με την χρήση υπολογιστικών προσομοιώσεων Monte Carlo μελετώνται οι μοριακές ιδιότητες απλών ΥΚΔ διαφόρων γενεών και αρχιτεκτονικών καθώς και η θερμοδυναμική συμπεριφορά και οι μετατροπές φάσεων συστημάτων ΥΚΔ. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην μοντελοποίηση της απόκρισης των LCDRS σε εξωτερικά πεδία που μπορούν να προκαλέσουν ευθυγράμμισης των μεσογόνων ομάδων του ΥΚΔ. Τα εξωτερικά εφαρμοζόμενα πεδία μπορεί να είναι δυναμικά ευθυγράμμισης που μιμούνται τα ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία ή πεδία που επάγονται από τους γεωμετρικούς περιορισμούς (συνοριακές συνθήκες) που επιβάλλονται στο υλικό όταν βρίσκεται κοντά σε επιφάνειες ή περιορισμένο εντός πόρων. Η δυνατότητα επίτευξης κοινού μοριακού προσανατολισμού στις μεσοφάσεις από ΥΚΔ αποτελεί βασικό παράγοντα για πολλές από τις πιθανές εφαρμογές τους. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων Monte Carlo Μόντε ΥΚΔ σε επαφή με επίπεδο, αδιαπέραστο υπόστρωμα που έχει τη δυνατότητα προσρόφησης (αγκύρωσης) των μεσογόνων μονάδων του ΥΚΔ υπό επιθυμητό προσανατολισμό. Τα αποτελέσματα βασίζονται σε κατάλληλα αδροποιημένο πεδίο δυνάμεων για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δενδριμερών καθώς και του δενδριμερούς με το υπόστρωμα. Ανάλογα με τον τύπο μοριακής αγκύρωσης στην επιφάνεια και τη θερμοκρασία, μια ποικιλία από διαφορετικούς τρόπους οργάνωσης του ΥΚΔ στην επιφάνεια παρατηρούνται και αναλύονται. Η μελέτη έχει επεκταθεί επίσης σε συστήματα ΥΚΔ περιορισμένα σε νανο-πόρους διαφόρων σχήματα και μεγεθών κάτω από διάφορες συνθήκες μοριακής αγκύρωσης. Οι δύο βασικές γεωμετρίες περιορισμού (πόροι) που μελετούνται αναφέρονται σε παραλληλεπίπεδους και κυλινδρικούς πόρους. Σε κάθε γεωμετρία επιβάλλονται διαφορετικές συνθήκες αγκύρωσης. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo έγιναν στην ισοβαρή συλλογή (ΝΡΤ) και διερευνήθηκε η θερμοδυναμική συμπεριφορά καθώς και η μοριακή οργάνωση των συστημάτων υπό νανο-εγκλεισμό. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πλούσια θερμοδυναμική συμπεριφορά. Η μοριακή οργάνωση καθώς και η μετάδοση του προσανατολισμού και της τάξης θέσεων από την επιφάνεια προς την μεσαία περιοχή των πόρων εξαρτάται το σχήμα και τι μέγεθος του πόρου, από τη θερμοκρασία καθώς και από τις συνθήκες μοριακής αγκύρωσης στις επιφάνειες του πόρου. Για έλεγχο της αποτελεσματικότητας της στρατηγικής αδροποιημένης μοντελοποίησης που αναπτύχθηκε μελετήθηκαν επίσης αμφίφυλα δενδριμερή τύπου Janus περιορισμένα σε επίπεδη επιφάνεια. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν την ικανότητα του μοντέλου μας να αποτυπώσει με επιτυχία το την αμφίφυλη φύση αυτών των δενδρομερών και να περιγράψει με επιτυχία διαφορετικούς τύπους αυτοργάνωσης που σχετίζονται με την αμφιφυλικότητα αυτών των μορίων και τον συνεπαγόμενο νανο-φασικό διαχωρισμό τους.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση των φαι-νομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε πρότυπη εργαστηριακή μονάδα μηχανικής ξήρανσης δια συναγωγής, η οποία σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και εξοπλίσθηκε με μετρητικό εξοπλισμό και ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου, συλλογής και επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων. Στην εργαστηριακή μονάδα ξήρανσης παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής και ελέγχου των βασικών παραμέτρων από τις οποίες επηρεάζεται η θερμική διεργασία της ξήρανσης, όπως η ταχύτητα, η θερμοκρασία και η υγρασία του αέρα ξήρανσης. Η μέτρηση της αποβολής της περιεχομένης υγρασίας στο υπό ξήρανση προϊόν πραγματοποιείται μέσω δυναμοκυψελών υψηλής ακρίβειας, ενώ η χωρική κατανομή της ταχύτητας ροής στην είσοδο του θαλάμου ξήρανσης κατά τη διεξαγωγή κάθε κύκλου πειραμάτων συνεχώς μετρείται με συστοιχία σωλήνων pitot και ενός συστήματος συγκροτούμενου από ηλεκτροβαλβίδες και μορφομετατροπέα πίεσης. Η χωρική κατανομή της θερμοκρασίας και της ταχύτητας στον θάλαμο ξήρανσης είναι δυνατή μέσω αισθητηρίων που προσαρμόζονται σε καρτεσιανό σύστημα μετακίνησης ελεγχόμενου από υπολογιστή το οποίο σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και τοποθετήθηκε στην έξοδο του κατακόρυφου θαλάμου ξήρανσης αποτελώντας πλέον αναπόσπαστο τμήμα της εργαστηριακής μονάδας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στον κατακόρυφο θάλαμο ξήρανσης, ενώ παρέχεται η δυνατότητα διεξαγωγής μετρήσεων και στο θάλαμο ξήρανσης οριζόντιας διάταξης. Στα πλαίσια της διατριβής, έγινε συστηματική πειραματική διερεύνηση της ξήρανσης δια συναγωγής σε φέτες κυδωνιών και μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν τη θερμική διεργασία της ξήρανσης σε αυτό το αγροτικό προϊόν, για θερμοκρασίες αέρα 40, 50 και 60οC και ταχύτητες αέρα 1, 2 και 3 m/s. Σκοπός των με-τρήσεων ήταν ο προσδιορισμός: (i) της επίδρασης της θερμοκρασίας και της ταχύτητας του αέρα στις καμπύλες ξήρανσης κυλινδρικών φετών κυδωνιού, (ii) της επίδρασης του πάχους των κυλινδρικών φετών του κυδωνιού στις καμπύλες ξήρανσης, (iii) της επίδρασης του προσανατολισμού των κυλινδρικών φετών κυδωνιού, ως προς τη διεύθυνση της προσπίπτουσας ροής, στις καμπύλες ξήρανσης, (iv) της προσαρμογής των καμπύλων ξήρανσης σε διάφορα απλά μοντέλα ξήρανσης λεπτού στρώματος, v) των ενεργών συντελεστών διάχυσης υγρασίας για την κάθε περίπτωση με την μέθοδο της κλίσης (slope method) και οι οποίοι συσχετίστηκαν με τη θερμοκρασία του αέρα ξήρανσης έτσι ώστε ο συντελεστής διάχυσης της υγρασίας να εκφρασθεί με την εξίσωση μορφής τύπου Arrhenius και vi) των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας οι οποίοι στη εκφράζονται ως συνάρτηση των αδιάστατων αριθμών Nu, Re και Pr με τη μορφή Nu=aRebPr1/3. Η προσομοίωση του ρευστοθερμικού πεδίου στο θάλαμο ξήρανσης και ο υπολογισμός των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας γύρω από την επι-φάνειας του προϊόντος πραγματοποιήθηκε με χρήση της εργαλείων της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Έγιναν προσομοιώσεις CFD μόνιμης κατάστασης (steady-state), θεωρώντας τυρβώδη ροή ενώ ο θάλαμος ξήρανσης και η κυλινδρική φέτα του κυδωνιού εξιδανικεύθηκε ως μια δισδιάστατη αξονοσυμμετρική διαμόρφωση. Ως μοντέλο τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο SST (Shear Stress Transport) k-ω, ενώ για την προσέγγιση του οριακού στρώματος στα τοιχώματα του προϊόντος επιλέχθηκε το μοντέλο LRNM (Low Reynolds Number Model). Από την επίλυση των πεδίων ροής και θερμοκρασίας προσδιορίσθηκαν οι κατανομές των διεπιφανειακών συντελεστών στην προσήνεμη και στην υπήνεμη πλευρά της κυλινδρικής φέτας του κυδωνιού για όλες τις πειραματικές συνθήκες. Από τον υπολογισμό του μέσων σταθμισμένων τιμών του διεπιφανειακού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας συνάγεται μια συσχέτιση των αδιάστατων αριθμών Nu, Re και Pr, στη μορφή Nu=aRebPr1/3, που ως εύρημα εμπλουτίζει την υφιστάμενη βιβλιογραφία. Στο τελικό στάδιο της διατριβής, αναπτύχθηκε και αποτιμήθηκε σε σύγκριση με τις πειραματικές μετρήσεις ένα μονοδιάστατο αριθμητικό μοντέλο μη-μόνιμης μεταφοράς θερμότητας και μάζας για την προσομοίωση των καμπυλών ξήρανσης σε κυλινδρικές φέτες κυδωνιών. Στο μοντέλο, η μεταφορά θερμότητας εντός του προϊόντος γίνεται με αγωγή ενώ η μεταφορά μάζας γίνεται με υγρή διάχυση, με την εξάτμιση του περιεχόμενου νερού στις φέτες του κυδωνιών να λαμβάνει χώρα από την προσήνεμη και την υπήνεμη επιφάνεια. Στο αριθμητικό μοντέλο, λαμβάνεται υπόψη η συρρίκνωση της κυλινδρικής φέτας του κυδωνιού, θεωρώντας ότι ο όγκος της προϊόντος μειώνεται κάθε φορά κατά τον όγκο του νερού που εξατμίζεται τις δύο επιφάνειες της φέτας. Στον αριθμητικό κώδικα, οι θερμοφυσικές ιδιότητες του κυδωνιού και του αέρα προσδιορίζονται από σχέσεις που συναντώνται στη βιβλιογραφία, ο ενεργός συντελεστής διάχυσης της υγρασίας εισάγεται ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων, ενώ για τους συντελεστές μεταφοράς χρησιμοποιήθηκαν οι μέσες σταθμισμένες τιμές των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας, ως αποτέλεσμα των CFD προσομοιώσεων και για περίπτωση μη-συζυγούς προσέγγισης (non-conjugated approach). Στοχεύοντας στην καλύτερη προσαρμογή των πειραματικών μετρήσεων και των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση μη-γραμμικής παλινδρόμησης, με τους αλγόριθμους SQP (Sequential Quadratic Programming) και εσωτερικού σημείου (internal point), για τον προσδιορισμό των συντελεστών της εξίσωσης διάχυσης της υγρασίας, με μικρή όμως βελτίωση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, σε συνδυασμό με τη σημαντική αύξηση του χρόνου υπολογισμού. Συμπερασματικά, από τη συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του αριθμητικού κώδικα αποδείχθηκε ότι το προτεινόμενο αριθμητικό μοντέλο που βασίζεται στη διάχυση είναι ικανό να περιγράψει αποτελεσματικά τη σύζευξη της μεταφοράς της θερμότητας και της μάζας όπως και να αποτυπώσει ικανοποιητικά τη χρονική εξέλιξη της περιεχόμενης υγρασίας και θερμοκρασίας εντός του προϊόντος, με την ελάχιστη χρήση πειραματικών μεταβλητών εισόδου ενώ έχει ελάχιστες υπολογιστικές απαιτήσεις. Για αυτούς τους λόγους μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλο για την ανάλυση της διαδικασίας της ξήρανσης δια συναγωγής σε οποιοδήποτε οργανικό ή μη-οργανικό προϊόν. / The objective subject of this thesis is the computational and experimental investigation of heat and mass transfer phenomena in a new laboratory mechanical convection drying unit, which was designed, constructed and equipped with measuring equipment and an integrated control system of collection and processing of experimental measurements. In laboratory drying unit there is an option to change and control the main parameters of which affected the thermal drying process, such as speed, temperature and humidity of the drying air. Measurement of the removal of moisture content in the dried product is carried out through high-precision load cells, and the spatial distribution of the flow velocity at the entrance of the drying chamber during of each experiment, is continuously measured by pitot tube array and a system composed of solenoids and a pressure transducer. The spatial distribution of temperature and velocity in the drying chamber is possible by means of sensors fitted to a computer controlled cartesian motion system which is designed, constructed and placed at the outlet of the vertical drying chamber, constituting an integral part of the facility. All measurements were performed on the vertical drying chamber while it is possible to conduct measurements in a horizontal layout of the drying chamber. In this thesis became systematic experimental investigation of convective drying sliced quince and studied the effect of various parameters affecting the thermal drying process in this agricultural product, for air temperatures of 40, 50 and 60°C and air velocities 1, 2 and 3 m/s. The purpose of the measurements was to determine: (i) the effect of temperature and air velocity in drying curves of cylindrical quince slice, (ii) the effect of the thickness of the cylindrical slice of quince in drying curves, (iii) the effect of the orientation of the cylindrical quince slice, in the direction of incident flow, in the drying curves (iv) the adjusting of the drying curves in several simple thin layer drying models v) the effective moisture diffusivity coefficients for each case with the slope method which correlated with the temperature of the drying air so that the diffusion coefficient of moisture be expressed by Arrhenius type equation form and vi ) the interfacial heat and mass transfer coefficients which expressed as a function of dimensionless numbers Nu, Re and Pr in the form Nu = aRebPr1/3. The simulation of the flow and temperature fields in the drying chamber and the calcu-lation of the interfacial heat and mass transfer coefficients around the surface of the product were performed using the tools of Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD simulations were steady state, considering turbulent flow while drying chamber and cy-lindrical slice of quince specialized as an axisymmetric two-dimensional configuration. As turbulence model was used the SST k-ω model while on the approximation of the boundary layer near the walls of the product the LRNM was chosen. By solving the flow and temperature fields determined distributions of interfacial heat and mass transfer coefficients in front and rear of the cylindrical slice of quince for all experimental conditions. The calculation of the weighted average prices of the interfacial heat transfer coefficient indicates a correlation between dimensionless numbers Nu, Re and Pr, in the form Nu = aRebPr1/3, which as finding enriches the existing literature. In the final stage of the thesis, developed and evaluated in comparison with the experi-mental measurements, a one-dimensional transient numerical model of heat and mass transfer to simulate drying curves in cylindrical slices of quince. The heat transfer inside the quince is considered to be by conduction while the moisture transfer is considered to be governed solely by liquid diffusion. Evaporation is considered to take place only from the windward and leeward surface of the quince slice. The numerical model takes into account the shrinkage of the cylindrical slice of quince, assuming that the cylindrical volume decreases each time as much as the volume of water that evaporates on both surfaces of the slice. The numerical code used the thermophysical properties of quince and air from the literature, the effective diffusion coefficient of moisture experimentally determined by the method of the slopes, while the transfer coefficients used the weighted average prices of interfacial heat and mass transfer coefficients derived from the simulations with CFD (non-conjugated approach). In order to achieve higher accuracy between experimental data and predictions, a non-linear regression analysis, using an Arrhenius type effective diffusion equation, was also performed. However, preliminary result, obtained using the SQP (Sequential Quadratic Programming) and Interior Point algorithms for the minimization of the Chi-square function (χ2) showed only small improvement of the calculated results with a significant increase of the computational cost. In conclusion, the overall assessment of the results of the numeric code shown that the proposed numerical model based on diffusion is able to effectively describe the coupling of heat transfer and mass, as to capture the time evolution of moisture content and temperature within the product, with minimum use of experimental input variables and minimum computational requirements. For these reasons it may be considered appropriate to analyze the convective drying process in any organic or non-organic product.

Τα παραγόμενα πρωτογενή ηλεκτρόνια εντός του φωτοαγώγιμου υλικού ενός μαστογραφικού ανιχνευτή ενεργού μήτρας άμεσης μετατροπής κατά την ακτινοβόληση, αποτελούν το πρωτογενές σήμα το οποίο προχωρώντας σχηματίζει το τελικό σήμα (εικόνα). Έτσι, η ποιότητα της μαστογραφικής εικόνας εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων. Ερευνώνται οι διαδικασίες σχηματισμού του πρωτογενούς σήματος και τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων σε κατάλληλα φωτοαγώγιμα υλικά, όπως τα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 και HgI2, με την ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης με τεχνικές Monte Carlo της παραγωγής των πρωτογενών ηλεκτρονίων για διάφορα φάσματα ακτίνων Χ στο μαστογραφικό εύρος ενεργειών. Το μοντέλο προσομοιώνει την αλληλεπίδραση φωτονίων-ύλης και την ατομική αποδιέγερση. Επιπρόσθετα, ειδικότερα για το a-Se, πραγματοποιείται μία προκαταρτική μελέτη της συσχέτισης των χαρακτηριστικών αρχικού και τελικού σήματος, με επίλυση των εξισώσεων του Νεύτωνα για την ολίσθηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων στο κενό υπό την επίδραση ενός απλού ηλεκτρικού πεδίου. Για το ίδιο υλικό, αναπτύσσεται αφενός μεν αλγόριθμος υπολογισμού της κατανομής του ηλεκτρικού δυναμικού εντός του ανιχνευτή με χρήση υπάρχουσας αναλυτικής λύσης αφετέρου δε ένα πρωταρχικό μοντέλο Monte Carlo για τις ηλεκτρονιακές αλληλεπιδράσεις. Τα σημαντικότερα ευρήματα είναι: (i) το ποσοστό των πρωτογενών ηλεκτρονίων που εκπέμπονται εμπρόσθια είναι περίπου 60 % με την πιθανότερη πολική γωνία εκπομπής μεταξύ 50ο και 70ο, (ii) τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σε δύο λοβούς γύρω από τις αζιμουθιακές γωνίες φ=0 και π, (iii) περίπου το 80 % των πρωτογενών ηλεκτρονίων παράγεται στο σημείο πρόσπτωσης των ακτίνων Χ ενώ η πλειονότητά τους παράγεται εντός των πρώτων 300 μm από την επιφάνεια του ανιχνευτή, (iv) οι χωρικές κατανομές των ηλεκτρονίων στα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO και TlBr είναι σχεδόν ανεξάρτητες του μαστογραφικού φάσματος ενώ στα υπόλοιπα υλικά παρουσιάζουν φασματική εξάρτηση, (v) για το πρακτικό μαστογραφικό εύρος (15-40 keV) και στο πρωταρχικό στάδιο της δημιουργίας του σήματος τα a-Se, a-As2Se3 και Ge έχουν την ελάχιστη αζιμουθιακή ομοιομορφία κατά την εκπομπή των ηλεκτρονίων ενώ τα CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te και CdTe τη μέγιστη, το a-Se παρουσιάζει την καλύτερη ενδογενή χωρική διακριτική ικανότητα αλλά το μικρότερο παραγόμενο αριθμό ηλεκτρονίων, το PbO παρουσιάζει το ελάχιστο χώρο παραγωγής πρωτογενών ηλεκτρονίων (ακτίνας R=200 μm, βάθους Dmax=320 μm), ενώ το CdTe το μέγιστο (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) τέλος, υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις ότι τα PbI2 και HgI2 αποτελούν τις καλύτερες επιλογές φωτοαγώγιμου υλικού. / The x-ray induced primary electrons inside the photoconductor of direct conversion digital flat panel mammographic detectors, comprise the primary signal which propagates in the material and forms the final signal (image). Consequently, the quality of the mammographic image strongly depends on the characteristics of primary electrons. An investigation is made concerning the primary signal formation and the characteristics of primary electrons inside a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 and HgI2, which are suitable photoconductors for direct detectors. A Monte Carlo model has been developed that simulates the primary electron production inside the materials mentioned for various x-ray spectra in the mammographic energy range. The model simulates the photon interactions and the atomic deexcitations. Furthermore, particularly for a-Se, a preliminary study is made concerning the correlation between the characteristics of primary and final signal, solving Newton’s equations of electron drifting in vacuum under the influence of a simple electric field. For the same material, an algorithm that calculates the electric potential distribution inside the detector from an existing analytical solution has been developed as well as a primitive Monte Carlo model for electron interactions. The most important findings are: (i) the percentage of primary electrons being forwards ejected is approximately 60 % with the most probable polar angles ranging from 50o to 70o, (ii) the electrons prefer to be emitted at two lobes around azimuthal angles φ=0 and π, (iii) approximately 80% of primary electrons are produced at the point of x-ray incidence whereas their majority is produced within the first 300 μm from detector’s surface, (iv) the electron spatial distributions for a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO and TlBr are almost spectral independent while for the rest of materials there is a spectral dependence, (v) at the practical mammographic energies (15-40 keV) and at the primitive stage of signal formation a-Se, a-As2Se3 and Ge have the minimum azimuthal uniformity in electron emission whereas CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te and CdTe the maximum one, a-Se has the best inherent spatial resolution but the minimum number of primary electrons, PbO has the minimum bulk space in which electrons can be produced (radius R=200 μm, depth Dmax=320 μm) whereas CdTe has the maximum one (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) finally, there is strong evidence indicating that PbI2 and HgI2 could be the best choices for this kind of applications.

Η παρούσα διατριβή μελετά τις δυνατότητες υπολογισμού του πεδίου ροής δύο λειτουργικών παραμέτρων συμπεριλαμβανομένων του εκπεμπόμενου θορύβου και των εκπεμπόμενων ρύπων. Εξετάζεται η αλληλεπίδραση της καύσης με το ρευστο-θερμοδυναμικό πεδίο και τις χημικές αντιδράσεις. Περιγράφονται συνοπτικά οι διέπουσες εξισώσεις, οι μέθοδοι και τα μοντέλα της τυρβώδους καύσης και επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα του μοντέλου των μεγάλων δινών (LES) το οποίο επιλέχθηκε εδώ. Αναπτύσσεται ένας εύχρηστος, από την ρευστοδυναμική υπολογιστική μεθοδολογία, πολυβηματικός μηχανισμός για δύο καύσιμα άμεσου ενδιαφέροντος το μεθάνιο και το προπάνιο. Προτείνεται, δηλαδή, ένα απλοποιημένο χημικό σχήμα για την οξείδωση των βασικών καυσίμων το οποίο περιέχει τον σχηματισμό του NΟx και της παραγωγής καπναιθάλης. Μετά από ανάλυση του ρόλου της καύσης στην ακουστική διακρίνονται οι δύο χαρακτηριστικοί τύποι: του θορύβου τυρβώδους καύσης (βόμβος – roar) και του θορύβου από τις ταλαντώσεις της καύσης (combustion oscillation). Παρουσιάζεται η κυματική εξίσωση και εισάγεται η έννοια του θερμο-ακουστικού όρου ο οποίος είναι συνάρτηση της απελευθερωμένης θερμότητας (q) στην φλόγα και εμφανίζεται ως όρος πηγής στην βασική εξίσωση. Στη συνέχεια η φλόγα εξετάζεται ως αυτόνομος πηγή αλλά και ως ενισχυτής θορύβου. Με την προσέγγιση της Προσομοίωσης των Μεγάλων Δινών (Large Eddy Simulation, LES) αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία υπολογισμού του θορύβου που εκπέμπεται από το μέτωπο τυρβωδών φλογών διάχυσης. Στο πλαίσιο της προτεινομένης μεθοδολογίας το αποτέλεσμα ήταν η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου προγνωστικού υπολογιστικού κώδικα. Στην συνέχεια υπολογίζεται το αεροθερμοδυναμικό τυρβώδες πεδίο ροής μέσω τελειοποίησης κωδίκων του Εργαστηρίου Τεχνικής Θερμοδυναμικής, των κωδίκων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσης εργασίας αλλά και του εμπορικού κώδικα Fluent. Η μεθοδολογία, που αναπτύχθηκε με την παρούσα ερευνητική εργασία, πιστοποιήθηκε μέσω μιας σειράς πρωτότυπων μετρήσεων, του εκπεμπόμενου θορύβου στις συρρέουσες, εφαπτόμενες και ανυψωμένες και ανακυκλοφορούσες (χαμηλού και υψηλού λόγου καυσίμου/αέρα) φλόγες, σε πρωτότυπες πειραματικές διατάξεις του Εργαστηρίου. Συγκεκριμένα διαμορφώθηκε ένας καινοτόμος αεροδυναμικός φλογοσυγκρατητής πολλαπλών εγχύσεων που διατηρεί μια πλούσια γκάμα φλογών με ιδιαίτερα χαμηλό λόγο καυσίμου/αέρα. Επιτεύχθηκαν πειραματικές μετρήσεις, του ορμικού και θερμοκρασιακού πεδίου διαφόρων μορφών τυρβωδών φλογών, συντάχθηκαν σχετικά διαγράμματα και υπολογίσθηκαν οι αρχικές και οριακές συνθήκες των πειραμάτων. / In the present work the calculation of two parameters, the radiated noise and pollutants are studied. The interaction between combustion, the aerothermodynamical field and the chemical reactions is studied. The equations, the methods and the models of turbulent combustion are described here and the advantages of the large eddy simulation model (LES) which has been chosen for this case, are marked. A multi-step chemistry mechanism is developed for two fuels of great interest: methane and propane. A simple chemical scheme for the oxidation of basic fuels which includes the formation of NOx and soot is suggested in the present work. After analyzing the role of combustion in the acoustics two types of noise are distinguished the turbulent combustion noise and the noise from combustion oscillation. The wave equation is presented and the definition of thermo acoustic term which is a function of the heat release q in flame and it appears as a source term in the basic equation. The flame is examined as an autonomous source as well as a noise amplifier. With the approach of large eddy simulation (LES) a methodology for the noise calculation is developed which noise is from the turbulent diffusion flame front. In the place of the suggested methodology the result was the development of a 3-D computational code. The turbulent aerothermodynamical flow field is computed by codes has been developed in the laboratory of technical thermodynamic and by the commercial code (fluent). The methodology, which has been developed in the present work, has been certificated through a series of original measurements of the emitted noise in coaxial, tangential and lifted flames in original experimentallayouts.

Οι πηγές πλάσματος επαγωγικής ζεύξης (Inductively Coupled Plasma Sources – ICP’s), παρέχουν πλάσμα υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων σε χαμηλή πίεση και έχουν ευρεία εφαρμογή στη σύγχρονη βιομηχανία ημιαγωγών και την κατεργασία επιφανειών. Σε πολύ χαμηλές πιέσεις, (~mTorr), οι εκκενώσεις πλάσματος παρουσιάζουν ιδιαίτερη συμπεριφορά όσον αφορά τη διείσδυση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και την αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου: Η ανώμαλη επιδερμική διείσδυση (anomalous skin effect) και η συντονισμένη αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίου όταν υπερτίθεται στατικό μαγνητικό πεδίο (resonant wave-particle interaction) είναι δύο φαινόμενα τυπικά σε αυτές τις εκκενώσεις. Η κατανόηση και μαθηματική ανάλυση αυτών των ιδιαίτερα περίπλοκων φαινομένων, ώστε να προσομοιωθούν με ακρίβεια αλλά και χωρίς χρονοβόρες υπολογιστικά διαδικασίες οι πηγές πλάσματος επαγωγικής ζεύξης, αποτελεί μια σύγχρονη επιστημονική και υπολογιστική πρόκληση. Στα πλαίσια αυτά, στην παρούσα διατριβή τέθηκε ως στόχος η αξιοποίηση της υπάρχουσας επιστημονικής γνώσης στον τομέα της υπολογιστικής προσομοίωσης πλάσματος, για την ανάπτυξη ταχύτατων προσομοιώσεων των πηγών πλάσματος επαγωγικής ζεύξης, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την εξαγωγή έγκυρων συμπερασμάτων: Η προσέγγιση αυτή συνίσταται στη διατύπωση υπόθεσης (μοντέλου), τον έλεγχό της σε σχέση με υπάρχοντα δεδομένα και την επαναδιατύπωσή της μέχρις ότου το μοντέλο να κριθεί επαρκές. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα ρευστοδυναμικό μοντέλο πλάσματος βασισμένο στην υπόθεση ψευδουδετερότητας και αμφιπολικής διάχυσης των φορέων φορτίου, προκειμένου να προσομοιωθεί η ενισχυμένης μαγνητικής διαπερατότητας πηγή επαγωγικής ζεύξης MaPE–ICP. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίνονται με τα πειραματικά στοιχεία προηγούμενων ερευνητών για εκκενώσεις Αργού και εξετάζεται η ικανότητα του ρευστοδυναμικού μοντέλου να παρέχει μια στοιχειώδη ποσοτική περιγραφή πλάσματος επαγωγικής ζεύξης σε χαμηλή πίεση. Η αξιοπιστία του ρευστοδυναμικού μοντέλου εξελίσσεται περεταίρω, με την ενσωμάτωση μιας αποτελεσματικής αριθμητικής επίλυσης της κινητικής εξίσωσης Boltzmann για τα ηλεκτρόνια. Τα αποτελέσματα της υβριδικής προσομοίωσης για εκκένωση Αργού πίεσης 30 mTorr στον αντιδραστήρα MaPE–ICP συγκρίνονται τόσο με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα όσο και με τα προηγούμενα αποτελέσματα της ρευστοδυναμικής προσομοίωσης και εξετάζεται η βελτίωση της ποιοτικής συμφωνίας όσον αφορά την επίδραση των παραμέτρων με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα ρευστοδυναμικό μοντέλο εκκενώσεων αίγλης τύπου ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) βασισμένο σε προκαθορισμένες οριακές συνθήκες για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Προσομοιώθηκε ένα διάκενο με πλάσμα Αργού σε πίεση 15 mTorr (μονοδιάστατο μοντέλο) και τα αποτελέσματα ελέγχθηκαν έναντι αναλυτικής θεωρίας, πειραματικών δεδομένων και αποτελεσμάτων προσομοίωσης Particle In Cell/Monte Carlo (PIC/MC). Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα προσομοίωσης για μια εκκένωση Αργού σε πίεση 1 mTorr εντός κυλινδρικού αντιδραστήρα τύπου ECWR (δισδιάστατο μοντέλο), συγκρίνονται με τα αποτελέσματα προσομοίωσης και πειραματικά στοιχεία. Τέλος, το μοντέλο έχει επεκταθεί για να περιλάβει την διάδοση του πλάσματος που παράγεται από μια τυπική πηγή πλάσματος τύπου ECWR σε μια περιοχή διάχυσης. Τα αποτελέσματα για εκκένωση Αργού πίεσης 5 mTorr συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα ενός μοντέλου σφαιρικής διάχυσης πλάσματος και εν προκειμένω εξετάζεται η πλήρης επεκτασιμότητα του εισαχθέντος ρευστοδυναμικού μοντέλου ECWR σε διεργασίες πλάσματος. / Inductively Coupled Plasma Sources (ICP’s) are capable of producing high density-low pressure plasmas in a variety of applications for the semiconductor and material processing industry. In the mTorr range, ICP discharges exhibit an extraordinary behaviour concerning the electromagnetic field propagation and wave-particle interaction: Anomalous skin effect and resonant wave-particle interaction within a superimposed static magnetic field consist two of the most typical phenomena. The efficient comprehension and mathematical description of such a complex gas discharge in order to fast and accurately simulate ICP sources, is still a challenging task. Within this context, the thesis focuses on evaluating the existing scientific knowledge in plasma computational modeling in order to develop not only rapidly converging but reliable ICP simulations: The implementation methodology consists on formulating an hypothesis (model) and repetitively inquiring its accuracy by checking the simulation results against existing experimental and/or other simulation data. The continuation of the model re-formulation process depends on the accuracy of the simulation results. Initally a simulation of a Magnetic Pole Enhanced (MaPE)-ICP plasma source was developed, under the assumptions of plasma quasineutrality and ambipolar diffusion. The simulation results were checked against the experimental data of previous workers for Argon discharges and the ability of the model to provide an elementary quantitative description of low pressure ICP sources was scrutinized. The validity of the fluid model was enhanced with the incorporation of a time effective numerical solution of the Boltzmann transport equation for electrons. Simulation results of the hybrid model were compared to the previous fluid simulation results and existing experimental data, for a 30 mTorr Argon discharge in the MaPE–ICP reactor. The major improvements of the qualitative agreement in regard to the effect of parameters with particular interest are discussed. Moreover, a fluid model of ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) discharges, based on predefined boundary conditions for the electromagnetic field, was developed: The simulation results for a 15 mTorr Argon plasma within a slab (1-dimensional model) were checked against the particle in cell/Monte Carlo (PIC/MC) simulation results that can be found in the literature and also compared to the analytical theory and experimental data. In addition, the model was further developed to simulate realistic geometries as a cylindrical ECWR reactor (2-D) and the data were also compared to both simulation results and experimental data of other researchers. Finally, the model was extended in order to simulate plasma propagation from a typical ECWR plasma source to a diffusion region. The simulation results for an Argon plasma generated from a cylindrical ECWR source in a processing chamber at 5 mTorr were presented in order to verify the feasibility of model application in ECWR plasma processes.

Τις τελευταίες δεκαετίες η συνεχώς αυξανόμενη παγκόσμια δραστηριότητα, λόγω της έντονης αστικοποίησης και βιομηχανοποίησης, έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων αποβλήτων. Μεταξύ αυτών είναι και η ιλύς, δηλαδή το ημιστερεό υπόλειμμα που παράγεται από τις μονάδες επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων. Μολονότι η ιλύς αντιμετωπίζεται ως απόβλητο που πρέπει να διατεθεί, είναι στην πραγματικότητα ένας σοβαρά υποτιμημένος πόρος. Πιο συγκεκριμένα, η ιλύς διαθέτει πολύτιμα θρεπτικά συστατικά, ενώ παράλληλα έχει και υψηλή θερμική αξία, ιδιότητες που την καθιστούν κατάλληλη για ένα μεγάλο εύρος χρήσεων. Ωστόσο, η ιλύς είναι φορέας ρύπων, όπως οι παθογόνοι μικροοργανισμοί και οι ξενοβιοτικές ουσίες, η ύπαρξη των οποίων βρίσκεται στο επίκεντρο των ενδιαφερόντων των ερευνητών. Ανάμεσα στις διάφορες διεργασίες που έχουν εφαρμοσθεί μέχρι σήμερα τόσο για την επεξεργασία της ιλύος, όσο και για την απομάκρυνση των ξενοβιοτικών παραγόντων από το περιβάλλον, οι βιολογικές διεργασίες φαίνεται να υπερτερούν αισθητά έναντι των άλλων. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η εφαρμογή μιας βιολογικής μεθόδου, της βιοσταθεροποίησης, για την επεξεργασία της ιλύος. Η ολοκλήρωση της μελέτης της βιοσταθεροποίησης έγινε με την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου ικανό να περιγράφει τη διεργασία. Παράλληλα, ερευνήθηκε η δυναμικότητα της διεργασίας αυτής στη βιοαποκατάσταση της ιλύος από το ξενοβιοτικό περιεχόμενό της. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η απομάκρυνση των ξενοβιοτικών ουσιών, μέσω της βιοαποδόμησής τους από αυτόχθονες μικροβιακούς πληθυσμούς της ιλύος, σε άλλα αερόβια περιβάλλοντα. Η εφαρμογή της διεργασίας της βιοσταθεροποίησης πραγματοποιήθηκε σε κατάλληλη πειραματική διάταξη που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για το σκοπό αυτό. Η διάταξη αυτή επέτρεπε τον πλήρη έλεγχο και τη σωστή ρύθμιση της διεργασίας. Η ολοκλήρωση των πειραμάτων της λιπασματοποίησης έδειξε ότι η διεργασία αυτή μπορεί να εφαρμοσθεί ως μέθοδος επεξεργασίας και σταθεροποίησης της ιλύος, αρκεί να ρυθμιστούν κατάλληλα καθοριστικές φυσικές και χημικές παράμετροι. Τα αποτελέσματα έδειξαν, επίσης, ότι η διεργασία δεν παρεμποδίζεται από την παρουσία υψηλών αρχικών συγκεντρώσεων ξενοβιοτικών ουσιών στην ιλύ, ενώ αντίθετα οδηγεί στην απομάκρυνσή τους. Τα ποσοστά απομάκρυνσης ήταν ιδιαίτερα υψηλά προκειμένου για τις επιφανειοδραστικές ενώσεις και αρκετά σημαντικά για το φθαλικό εστέρα και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Φαίνεται, λοιπόν, ο πολυποίκιλος μικροβιακός πληθυσμός της βιοσταθεροποίησης να συμβάλλει στην ουσιαστική, αν όχι πλήρη, απομάκρυνση των ξενοβιοτικών ουσιών κατά τη διάρκεια της διεργασίας και να οδηγεί στην παραγωγή σταθερού και ασφαλούς τελικού προϊόντος. Ωστόσο, υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης των παραπάνω ξενοβιοτικών ουσιών κατέδειξαν και τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε αερόβιες υγρές μικτές καλλιέργειες. Ενδεχομένως, η μικροβιακή συνεργασία να παίζει τον καθοριστικό ρόλο στη βιοαποδόμηση αυτών των ουσιών. Η παρούσα μελέτη θα μπορούσε να συνεισφέρει αποτελεσματικά στην ανάπτυξη μιας αξιόπιστης μεθόδου για τη διαχείριση της ιλύος. Συνολικά, η λιπασματοποίηση μπορεί να αποδειχθεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την επιθυμητή βιώσιμη ανάπτυξη της κοινωνίας μας, αφού αφ’ ενός μπορεί να συμβάλλει στη λύση του περιβαλλοντικού προβλήματος της διαχείρισης της ιλύος που παράγεται από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, που την απασχολεί έντονα, και αφ’ ετέρου μπορεί να εξουδετερώσει το παθογόνο περιεχόμενο και να εξαλείψει τις τοξικές ξενοβιοτικές ουσίες. / The continuously increased human activity of the last few decades, because of the intense urbanization and industrialization, has resulted in the production of a serious amount of wastes. Among these is sewage sludge, which is the semi-solid residue produced by municipal and industrial waste treatment plants. Although sludge is considered as a waste product which must be disposed, it is actually an underestimated resource. Specifically, sludge contains valuable nutrients and high thermal value making sludge appropriate for a wide range of uses. Nevertheless, the existence of pathogens and xenobiotics in sludge has attracted the interest of scientific community. Among various methods that have been used for sludge treatment, as well as the removal of xenobiotics from environmental systems, biological methods are advantageous. The aim of the present work was to assess the sewage sludge treatment by a biological process, which is closed-vessel composting. This study involved also the development of a mathematical model capable of describing the composting process. The efficiency of bioremediation of xenobiotics content during sludge composting was also studied. Finally, the xenobiotics removal was investigated through biodegradation using sludge indigenous microbial populations in other aerobic environments. A suitable experimental configuration was designed and constructed in order to study the composting process. The composting system was designed for complete control and regulation of the process. Based on the results of the composting experiments, it can be concluded that composting is an efficient method allowing for treating and stabilization of sewage sludge, provided that critical physicochemical parameters are adjusted. Results revealed also that composting process is not inhibited by the presence of high initial concentration of xenobiotics. On the contrary, composting results in removal of xenobiotics. With reference to surfactants (LAS.NP and NPEO), the removal percentages were particularly high, while the relevant percentages for phthalate ester and polycyclic aromatics hydrocarbons were also significant. It seems, then, that the variable microbial population of the composting mixture contributes to the elimination of xenobiotic compounds and results in a safe and stable final product. The experiments which were conducted in aerobic mixed liquid cultures showed also high xenobiotic removal percentages. Probably, the microbial consortium could play a significant part in biodegradation of xenobiotic compounds. The present study contributes to the development of a reliable method of sewage sludge treatment. The composting process, totally complies with the desirable sustainable growth for our society by the treatment of sludge produced in waste water treatment plants and by the elimination of the xenobiotic compounds that limit its valorisation.