I ett marint framdrivningssystem byggt av Rolls-Royce Marine i Kristinehamn, kallat POD Propulsion - MermaidTM, kyls systemets yttre delar med förbiströmmande vatten. Det kylande vattnet kompletteras av ett internt luftkylningssystem vilket, till följd av en lägre kylningskapacitet än för det externa vattnet, förorsakar en otillräcklig kylning i den sektor av elmotorns stator vars periferi kyls av kylluftsströmmen. En andel av statorn är således enbart luftkyld vilket medför att den axiella temperaturen i denna sektor uppnår ett lokalt maximum, kallad ”hotspot”, vilken är högre än för resten av elmotorns stator. Avsaknaden av en tangentiellt uniform temperatur i statorn medför begränsningar vid dimensionering av framdrivningssystemet. Begränsningar som kan få till följd att motorn i en POD överdimensioneras, gentemot fartygets effektbehov, sådan att elmotorn vid drift inte ska generera lika mycket värme och därmed undvika de höga statortemperaturerna. En effektiv kylning av hotspoten och därigenom en tangentiellt mer uniform temperatur skulle därmed medföra att elmotorn kan; dimensioneras mer effektivt och därigenom ge en lägre installationskostnad, uppnå en högre utnyttjandegrad samt leda till en förbättrad hydrodynamisk verkningsgrad. Rapporten ämnar genom både analytiska och numeriska simuleringar utvärdera ett flertal olika passiva kylningsmetoder som kan appliceras över POD-husets hotspot. De tilltänkta kylningsmetoderna baseras i grunden på två olika principer. En av principerna, kallad utvidgade ytor, avser kyla hotspoten genom att underlätta överföringen av värme från hotspoten till en förbipasserande fluid där den andra, genom tillämpning av ett ledande material, leder värme från hotspoten till en omgivande kallare yta. Resultaten visar att alla de tilltänkta modifikationerna, i varierande grad, möjliggör en temperatursänkning av det vertikala hotspotområdet, vilken är belägen intill luftkylningskanalen. De modifikationer som presterar bäst är modifikationerna som tillämpar en heatpipe som ledande material och modifikationen utvidgad solid gjort av koppar. Dessa modeller visar en 60 procentig temperatursänkning av den vertikala hotspoten relativt referensmodellen. Rapportens resultat kan även visa en temperatursänkning av luften då modifikationen ledande stag tillämpas, vilket är gynnsamt för fartygets luftkylningsprocess.

Axial flux induction machines are attractive solutions for electric vehicle applications nowadays. Thanks to their high torque density and no need for rare-earth material for permanent magnets, axial flux induction machines are the most used electric machine type with good performance and low prices. Research on the thermal characteristics of induction machines can benefit the design development of products. Generally, the finite element analysis (FEA) method is used to conduct a fast thermal simulation of machines. However, a significant disadvantage of the FEA method is that the forced convection heat transfer and the fluid motion are challenging to consider. To solve this problem, the thesis work focuses on conducting a computational fluid dynamics (CFD) model to predict the temperature distribution of the AuraGen induction machine and the velocity distribution of the airflow by accurately considering the forced convection heat transfer and the fluid motion in different operation conditions. The thesis work covers the improvement of 3D cad models of the AuraGen induction machines and airflow fields, evaluation of simulation parameters of the CFD simulation models, and the comparison of results between the CFD simulation, FEA simulation, and physically experimental measurements. Finally, the best CFD simulation model can accurately predict the temperature distribution of all components of the induction machine and the airflow in the 3000, 2000, and 1000 rpm conditions. The accuracy satisfies the desired goal which is within 4℃ of the average error and 8℃ of the maximum error. Velocity distributions of the airflow can also show characteristics of the fluid motion from inlets to the outlet. Compared with simulation results of the FEA method, the CFD simulation model has significantly more accurate results when applied for a wide range of operating speeds to predict the temperature distribution in the forced convection heat transfer condition. The good CFD simulation results can help quickly discover design problems in the early stage of the product development process without making repeated prototype constructions and physical tests. The good CFD simulation results are beneficial to reducing the number of necessary prototypes and therefore reducing development costs and time consumed. / Axial Flux Induktionsmaskiner är attraktiva lösningar för elektriska fordonsansökningar nuförtiden. Tack vare sin höga vridmomentäthet och inget behov av sällsynt jordmaterial för permanenta magneter är Axial Flux-induktionsmaskiner den mest använda elektriska maskintypen med bra prestanda och låga priser. Forskning om induktionsmaskinernas värmekarakteristik kan gynna designutvecklingen av produkter. I allmänhet används metoden Finite Element Analysis (FEA) för att genomföra en snabb termisk simulering av maskiner. Emellertid är en signifikant nackdel med FEA-metoden att den tvungen konvektionsvärmeöverföringen och fluidrörelsen är svåra att ta hänsyn till. För att lösa detta problem fokuserar avhandlingsarbetet att genomföra en CFD-modell för att förutsäga temperaturfördelningen av Auragen-induktionsmaskinerna och luftflödeshastighetsfördelningen genom att noggrant överväga den tvungen konvektionsvärmeöverföring och fluidrörelse i olika driftsförhållanden. Avhandlingsarbetet täcker förbättringen av 3D CAD-modeller av Auragen-induktionsmaskiner och luftflödesfält, utvärdering av simuleringsparametrar för CFD-simuleringsmodellerna och jämförelsen av resultaten av CFD-simuleringen, FEA-simulering och fysiskt experimentella mätningar. Slutligen kan den bästa CFD-simuleringsmodellen noggrant förutsäga temperaturfördelningen av alla komponenter i induktionsmaskinen och luftflödet i 3000, 2000 och 1000 rpm-förhållandena. Noggrannheten uppfyller det önskade målet som är inom 4 ℃ från medelfelet och 8 ℃ från det maximala felet. Velocitetsfördelningar av luftflödet kan också visa egenskaper hos fluidrörelsen från inlopp till utloppet. Jämfört med simuleringsresultat av FEA-metoden har CFD-simuleringsmodellen betydligt mer exakta resultat när det appliceras för ett brett spektrum av driftshastigheter för att förutsäga temperaturfördelningen i det tvångsöverföringstillstånd. De goda CFD-simuleringsresultaten kan hjälpa till att snabbt upptäcka designproblem i ett tidigt skede av produktutvecklingsprocessen utan att göra upprepade prototypkonstruktioner och fysiska tester. De goda CFD-simuleringsresultaten är fördelaktiga för att minska antalet nödvändiga prototyper och därför minska utvecklingskostnaderna och tidsåtgången.

The purpose of this study is to investigate the flue gas fan in Mälarenergi’s Unit 6 and try to find what is causing the vibrations increase. The Fast Fourier transform (FFT) method was used for this degree project. A comparison was made with previous studies using FFT in order to pinpoint the source of the problem with vibrations. After a possible source had been identified, a computational fluid dynamics (CFD) simulation was performed using ANSYS to visualize the problem. Two cases were simulated using two different turbulence models: the K-epsilon model and the Large-eddy simulation (LES) model. The result from the CFD simulations was compared with previous studies that used similar turbulence models. The flue gas fan’s high vibrations are most likely flow-induced. The simulation result indicates that LES model performed better than the Kepsilon model. The lack of validation in this degree work means that it is hard to know the accuracy of the model. Based on the simulation results the most promising solution seems to be inlet straighteners. / Syftet med studien är att undersöka rökgasfläkten i Mälarenergis Unit 6 och att försöka hitta vad som orsakar vibrationsökningarna. Fast Fourier transform metoden har används i detta examensarbete. En jämförelse har gjorts med tidigare studier som använt FFT metoden för att kunna urskilja källan till vibrationsproblemet. Efter en rimlig källa hittades så utfördes en CFD-simulering i ANSYS för att visualisera problemet. Två fall simulerades med två olika turbulensmodeller: K-epsilon modellen och Largeeddy simulation modellen. Resultatet från CFD-simuleringarna jämfördes med tidigare studier som använt liknande metoder.  Rökgasfläktens höga vibrationer är med störst sannolikhet flödesinducerad. Simuleringsresultatet indikerar att LES modellen utfördes bättre än Kepsilon modellen. Då det saknas en validering i form av flödesmätningar så är det svårt att säga hur lik modellen är med verkligheten. Baserat på resultatet från simuleringarna så verkar inloppsgaller vara den mest lovande lösningen.

The use of turbocharged Diesel engines is nowadays a widespread practice in the automotive sector: heavy-duty vehicles like trucks or buses, in particular, are often equipped with turbocharged engines. An accurate study of the flow field developing inside both the main components of a turbocharger, i.e. compressor and turbine, is therefore necessary: the synergistic use of CFD simulations and experimental tests allows to fulfill this requirement. The aim of this thesis is to investigate the performance and the flow field that develops inside a centrifugal compressor for automotive turbochargers. The study is carried out by means of numerical simulations, both steady-state and transient, based on RANS models (Reynolds Averaged Navier-Stokes equations). The code utilized for the numerical simulations is Ansys CFX.   The first part of the work is an engineering attempt to develop a CFD method for predicting the performance of a centrifugal compressor which is based solely on steady-state RANS models. The results obtained are then compared with experimental observations. The study continues with an analysis of the sensitivity of the developed CFD method to different parameters: influence of both position and model used for the rotor-stator interfaces and the axial tip-clearance on the global performances is studied and quantified.   In the second part, a design optimization study based on the Design of Experiments (DoE) approach is performed. In detail, transient RANS simulations are used to identify which geometry of the recirculation cavity hollowed inside the compressor shroud (ported shroud design) allows to mitigate the backflow that appears at low mass-flow rates. Backflow can be observed when the operational point of the compressor is suddenly moved from design to surge conditions. On actual heavy-duty vehicles, these conditions may arise when a rapid gear shift is performed. / Användningen av turboladdade dieselmotorer ärr numera utbredd inom bilindustrin: i synnerhet tunga fordon som lastbilar eller bussar ärr ofta utrustade med turbo-laddade motorer. En utförlig förståelse av flödesfältet som utvecklas innuti båda huvudkomponenterna hos en turboladdare, dvs kompressor och turbin, är därför nödvändig: den synergistiska användningen av CFD-simuleringar och experimentel-la tester möjliggör att detta krav uppfylls. Syftet med denna avhandling är att undersöka prestanda och det flödesfält som utvecklas i en centrifugalkompressor för turboladdare. Studien utförs genom nu-meriska simuleringar, både steady state och transient, baserat på RANS-modeller (Reynolds Averaged Navier-Stokes-ekvationer). Koden som används för de numeriska simuleringarna är Ansys CFX.   Den första delen av arbetet ¨ar ett försöka att utveckla en CFD-metod för att förutsäga prestanda för en centrifugalkompressor med hjälp av steady-state RANS-modeller. De erhållna resultaten jämförs sedan med experimentella observationer. Studien fortsätter med en analys av känsligheten hos den utvecklade CFD-metoden till olika parametrar: Inflytande av både position och modell som används för rotor-statorgränssnitt samt axiellt spel mellan rotor och hus på de globala prestationerna studeras och kvantifieras.   I andra delen utförs en designoptimeringsstudie baserad på Design of Experiments (DoE). I detalj används tidsupplösta RANS-simuleringar för att identifiera vilken utformning av ported shroud som minskar backflöde i kompressorn under en snabb minskning av massflöde och varvtal och därmed ger bättre prestanda i transient surge. På tunga fordon kan dessa förhållanden uppstå under växling.

Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are presented within this study for super-cooled liquid oxygen atomisation and gasification in a subcritical chamber operating at 1MPa. Relatively low cost simulation techniques have been used and their accuracy evaluated. Gasification efficiency expected from theory is compared with simulation results and physical limitation in addition to modelling limitations are discussed. Impinging jets have been used within the simulations with the intent of atomising the incoming liquid oxygen, followed by injection of hot water vapour perpendicularly, to increase turbulent mixing, residence time and in turn expected gasification efficiency. A computational fluid dynamics heating analysis is also included in order to highlight constraints on the chamber geometry imposed by transient rapid oxidation material limits. 316 stainless steel and 3D printed Inconel 718 were investigated experimentally to identify their transient macroscopic rapid oxidation limits. This information supplements existing published literature for operation at high temperatures for a transient period of time in oxygen rich environments. ANSYS Fluent 2020R1, and its newly included Volume of Fluid to Discrete Particle (VOF-DPM) Model, is used for CFD simulation of LOx atomisation and vaporisation. The CFD simulation technique is discussed in detail in order to allow the reader to gain knowledge into areas where computational power can be saved while still allowing assessment of trends for conducting relatively quick feasibility reviews e.g. for different chamber configurations. The CFD simulation results are compared with published experimental data and its accuracy when extended to this application is discussed. Results indicate that gasification of LOx within a compact chamber may be feasible if sufficient turbulence, resulting in longer residence times is present providing sufficient time for heat and mass transfer from the continuous phase. Simulations indicate that due to the mixing and gasification process the LOx particles within the chamber that have not entered the gaseous phase are smaller than that from pure atomisation and therefore more susceptible to gasification if injected into the main motor combustion chamber. Results hint at the potential benefit of swirl injection of hot gases to increase residence time and in turn the gasification efficiency, therefore, this is recommended for the topic of future research. / Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringar presenteras i denna studie för superkyld flytande syreförstoftning och förgasning i en underkritisk kammare som arbetar vid SI 1 MPa. Relativt billiga simuleringstekniker har använts och deras noggrannhet utvärderats. Förgasningseffektivitet som förväntas från teorin jämförs med simuleringsresultat och fysisk begränsning utöver detta diskuteras modelleringsberäkningarna. Stötstrålar har använts inom simuleringarna med avsikt att finfördela det inkommande flytande syret, följt av injektion av varm vattenånga vinkelrätt, för att öka turbulent blandning, uppehållstid och i sin tur förväntad förgasningseffektivitet. En beräkningsenhetsanalys för uppvärmningsdynamik ingår också för att belysa begränsningar för kammargeometri som införs genom övergående gränser för snabb oxidation. 316 rostfritt stål och 3D-printad Inconel 718 undersöktes experimentellt för att identifiera deras övergående makroskopiska snabba oxidationsgränser. Denna information kompletterar befintlig publicerad litteratur för drift vid höga temperaturer under en kort tid i syrgasrika miljöer. ANSYS Fluent 2020R1, och dess nyligen inkluderade volym av vätska till diskret partikel (VOF-DPM) -modell, används för CFD-simulering av LOxatomisering och förångning. CFD-simuleringstekniken diskuteras i detalj för att göra det möjligt för läsaren att få kunskap om områden där beräkningskraft kan sparas medan man fortfarande tillåter bedömning av trender för att göra relativt snabba genomförbarhetsgranskningar, t.ex. för olika kammarkonfigurationer. CFD-simuleringsresultaten jämförs med publicerade experimentella data och dess noggrannhet när den utvidgas till denna applikation diskuteras. Resultaten indikerar att förgasning av LOx i en kompakt kammare kan vara möjlig vid tillräcklig turbulens, vilket resulterar i längre uppehållstider är närvarande som ger tillräcklig tid för värme och massöverföring från den kontinuerliga fasen. Simuleringar indikerar att på grund av blandnings- och förgasningsprocessen är LOx-partiklarna i kammaren som inte har gått in i gasfasen mindre än den från ren förgasning och därför mer mottagliga för förgasning om de injiceras i huvudmotorns förbränningskammare. Resultat antyder den potentiella fördelen med virvelinjektion av heta gaser för att öka uppehållstiden och i sin tur förgasningseffektivitet, därför rekommenderas detta för ämnet för framtida forskning.