<p>Att använda fjärrvärme till lågenergihus kan vara olämpligt pga. höga kulvertförluster jämfört med kulvertförluster för traditionella hus. Detta beror på att det låga värmebehovet i lågenergihusen ger en hög returtemperatur i ledningarna. Ett steg för att öka värmebehovet och göra fjärrvärme mer attraktivt för lågenergihus är att börja värma upp vitvaror (tvätt-, diskmaskin och torktumlare) med fjärrvärme istället för att använda traditionella eluppvärma vitvaror. Vid installation av dessa vitvaror tillkommer en rördragning vars värmeförluster är önskvärda att hålla nere för att dels säkerställa önskad temperatur till vitvarorna men även för att hålla nere internvärmen i huset.</p><p>I studien har olika rördimensioner och isoleringstjocklek analyserats för att se hur värmeförlusterna beror på strömningsparametrar. Av analysen ska de bästa alternativen för val av rör tas fram för en rördragning i luft respektive i betong. För att beräkna värmeförlusterna har simuleringsmodeller tagits fram i CFD-programmet (Computational fluid dynamics) Comsol Multiphysics. Studien är indelad i två delar. Första delen analyserar fem stycken standardrör med givna rördimensioner och isoleringstjocklek. Den andra delen av studien analyserar värmeförlusterna beroende på varierad isoleringstjocklek för de två minsta rördiametrarna hos standardrören.</p><p>Resultatet i första studien visar att värmeförlusterna ökar med ökande rördiameter och att rörströmningen inte har någon betydande påverkan för värmeförlusterna. Andra studien visar att redan vid halva standardisoleringstjockleken kan värmeförlusterna minskas med 91 % jämfört med ett oisolerat rör. Simuleringarna visar att en rördragning i betong ger större värmeförluster än vid en rördragning i luft. Det beror på att betongen med dess ledningsförmåga förbättrar värmeavgivningen från röret mer än vad egenkonvektionen påverkar värmeförlusterna för en rördragning i luft.</p><p>Vid val av vilket standardrör som skall användas med hänsyn till lägsta värmeförlust, är den minsta rördiametern bäst för en rördragning i luft. I betong däremot är värmeförlusterna lika stora för både det minsta röret och det mellersta standardröret. Skillnaden mellan de två rören är rördiametern samt att det är tjockare isolering på det mellersta röret.</p>

The purpose of this thesis is to design and study an aircraft which implements the Co-Flow Jet (CFJ) airfoil concept, as well as to study the CAARC standard highrise building. The design concept is verified mainly by the use of a Computational Fluid Dynamics (CFD) package. A thorough methodology for geometry and mesh generation is developed, and subsequently applied to the two cases. The first case studied is that of the CFJ Airplane (CFJA). It consists of a threedimensional, highly blended, ying wing geometry implementing the Co-Flow Jet airfoil concept. Though a thorough comparison to a baseline geometry, it is shown that usage of the CFJ airfoil cross-section greatly improves aircraft performance by increasing lift, reducing drag, and providing a source of thrust over the operational range of angles of attack. A steady state CFD simulation is used for this case, as the air ow around an airfoil cross-section is inherently steady for attached ows. CFD results are used to support the Engineless Aircraft" concept, where the CFJ airfoil is used as the sole form of propulsion. The second case studied consists of a rectangular high-rise building undergoing a wind condition with Mach number of 0:1 and a Reynolds number of 160000. Due to the non-streamlined geometry of the building cross-section, aerodynamic instabilities due to uid separation are present, and therefore an unsteady CFD analysis is necessary to fully resolve all of the ow phenomena. Preliminary steady state results are presented, and a plan is laid down for the future study of this highly complex case. Results are presented for a variety of angles of attack in the case of the CFJA, and for the main ow direction in the case of the CAARC building. Results are compared with baseline geometry in the case of the CFJ Airplane. The CFJ Airplane case is simulated using a 3rd order steady state scheme, which is sufficient to achieve valid results for the ow regime. The CAARC building, which has inherent ow separation, requires the use of high order schemes.

Dans la chaîne de fabrication des produits plats sidérurgiques, les brames sont des produits semi-finis sortant de la coulée continue, se présentant sous la forme de parallélépipèdes d'acier de 150 à 320 mm d'épaisseur qui devront passer dans le laminoir à chaud afin de réduire leur épaisseur à quelques millimètres pour être enfin enroulées en bobines de tôle. Pour permettre les importantes déformations du laminage, les brames doivent entrer dans le laminoir à une température comprise entre 800 et 1200°C; elles sont amenées à cette température en traversant un four de réchauffage où leurs faces supérieure et inférieure sont chauffées par des brûleurs de différents types, parmi lesquels figurent des brûleurs à longueur de flamme réglable, qui doivent permettre une variation, en cours de fonctionnement, de la longueur de la flamme générée par le brûleur afin d'adapter le profil de transfert de chaleur aux caractéristiques géométriques du produit à réchauffer. Ce travail a permis de caractériser le fonctionnement et les performances d'un tel brûleur, en particulier de déterminer la réglabilité effective de la longueur de flamme en fonction des conditions opératoires, ainsi que d'établir l'utilité de la modulation de flamme pour le procédé de chauffage en mesurant les effets de cette variation sur le profil de flux de chaleur transmis à la charge. Les conséquences de ces modifications sur la stabilité de la combustion et sur les quantités de polluants émis, en l'occurrence sur les émissions d'oxydes d'azote (NOx), ont également été examinées. Les performances du brûleur à longueur de flamme variable ont été étudiées par le biais de mesures réalisées sur une unité pilote à échelle réduite, conçue et réalisée au cours de ce travail. La détermination de la longueur de flamme a été réalisée par la mesure de l'émission de chimiluminescence du radical $OH$ tandis que la mesure du profil de flux radiatif incident sur la charge a mis en évidence que les transferts de chaleur au sein du four n'étaient que faiblement modifiés par les variations de longueur de la flamme. Les résultats expérimentaux ont également montré que la forme de la flamme n'influençait pas de manière significative le niveau d'émissions de NOx à la sortie du four. Cette approche a été complétée par une démarche de simulation numérique détaillée de l'équipement à l'aide d'un code commercial de CFD (pour Computational Fluid Dynamics) permettant de résoudre les équations différentielles de l'aéro-thermochimie (écoulement, turbulence, combustion et transfert de chaleur) dans le four. La comparaison des données numériques et expérimentales a permis de valider les résultats de simulation et d'établir leur sensibilité aux hypothèses des modèles utilisés. Elle a montré que la prédiction de la forme de la flamme était principalement conditionnée par les paramètres cinétiques du modèle de combustion plutôt que par le choix des modèles de turbulence et de rayonnement; elle a en outre établi que les niveaux d'émissions d'oxydes d'azote de l'ensemble des flammes modélisées ne pouvaient être calculés correctement par des modèles simples de combustion et de production de NOx. Ce travail s'inscrit dans le contexte de recherches réalisées en collaboration avec l'Agence Internationale de l'Energie, portant sur l'étude des phénomènes liés à la combustion du gaz naturel dans des brûleurs alimentés en air préchauffé; il a bénéficié du soutien financier de la Région Wallonne pour l'acquisition des outils expérimentaux et numériques utilisés au cours de cette étude.

Dans cette dissertation, nous considérons l’écoulement des liquides conducteurs d’électricité dans un champ magnétique externe. De tels écoulements sont décrits par les équations de la magnétohydrodynamique (MHD) quasi-statique, et sont fréquemment rencontrés dans des applications pratiques. Il suit qu’il y a un intérêt fort pour des outils numérques qui peuvent simuler ces écoulements dans des géometries complexes. La première partie de cette thèse (chapitres 2 et 3) est dédiée à la présentation de la machinerie numérique qui a été utilisée et implémentée afin de résoudre les équations de la MHD quasi-statistique (incompressible). Plus précisément, nous avons contribué au développement d’un solveur volumes finis non-structuré parallèle. La discussion sur ces méthodes est accompagnée d’une analyse numérique qui est aussi valable pour des mailles non-structurées. Dans le chapitre 3, nous vérifions notre implémentation par la simulation d’un certain nombre de cas tests avec un accent sur des écoulements dans un champ magnétique intense. Dans la deuxième partie de cette thèse (chapitres 4-6), nous avons utilsé ce solveur pour étudier des écoulements MHD de proche paroi . La première géometrie considérée (chapitre 4) est celle d’une conduite circulaire infini d’axe à haut nombre de Hartmann. Nous avons investitgué la sensitivité des résultats numériques au schéma de discrétisation et à la topologie de la maille. Nos résultats permettent de caractériser in extenso l’écoulement MHD dans une conduite avec des bords bien conducteurs par moyen des lois d’échelle. Le sujet du cinquième chapitre est l’écoulement dans une conduite toroïdale à section carée. Une étude du régime laminaire confirme une analyse asymptotique pour ce qui concerne les couches de cisaillement. Nous avons aussi effectué des simulations des écoulements turbulents afin d’évaluer l’effet d’un champ magnétique externe sur l’état des couches limites limites. Finalement, dans le chapitre 6, nous investiguons l’écoulement MHD et dans un U-bend et dans un coude arrière. Nous expliquons comment générer une maille qui permet de toutes les couches de cisaillement à un coût computationelle acceptable. Nous comparons nos résultats aux solutions asymptotiques.

The primary goal for this PhD project has been to investigate instability of reversiblepump turbines (RPTs) as a phenomenon and to find remedies to solve it. The instability occurs for turbines with s-shaped characteristics, unfavourable waterways and limited rotating inertia. It is only observed for certain operation points at either high speed or low load. These correspond to either high values of Ned or low values of Qed. The work done in this PhD thesis can be divided into the three following categories. Investigate and understand the behaviour of a pump turbine: A model was designed in order to investigate the pump turbine behaviour related to its characteristics. This model was manufactured and measurements were performed in the laboratory. By using throttling valves or torque as input the full s-shaped characteristics was measured. When neither of these techniques is used, the laboratory system has unstable operation points which result in hysteresis behaviour. Global behaviour of the RPT in a power plant system was investigated through analytical stability analysis and dynamic system simulations. The latter included both rigid and elastic representation of the water column. Turbine internal flow: The flow inside the runner was investigated by computer simulations (CFD). Two-dimensional analysis was used to study the inlet part of the runner. This showed that a vortex forming at the inlet is one of the causes for the unstable characteristics. Three-dimensional analyses were performed and showed multiple complex flow structures in the unstable operation range. Measurements at different pressure levels showed that the characteristics were dependent on the Reynolds number at high Ned values in turbine mode. This means that the similarity of flows is not sufficiently described by constant Qed and Ned values at this part of the characteristics. Design modifications: The root of the stability problem was considered to be the runner’s geometric design at the inlet in turbine mode. Therefore different design parameters were investigated to find relations to the characteristics. Methods used were measurements, CFD modelling and analytical models. The leading edge profile was altered on the physical model and measurements were performed in the laboratory. Results showed that the profiles have significant influence on characteristics and therewith stability at high speed operation points. Other design parameters were investigated by CFD analysis with special focus on the inlet blade angle.

<p>Computational Fluid Dynamics is the analysis of a system involving fluid flow, heat transfer and associated phenomena such as chemical reactions by means of a computer-based simulation. The simulations in this study are performed using (CFD) software package FLUENT. The mixture of two gases (Silane gas (SiH4) and Hydrogen gas (H2)) are delivered into the hot-wire chemical vapor deposition system (HWCVD) with the two deposited substrates (glass and Silicon). This process is performed by the solar cells group of the Physics department at the University of the Western Cape. In this thesis, the simulation is done using a CFD software package FLUENT, to model the gas-flow patterns inside the HWCVD system. This will show how the gas-flow patterns are affected by the varying temperature of the heater in each simulation performed in this study under a constant pressure of 60&mu / Bar of the system.</p>

The purpose of air distribution systems for HVAC is tocreate proper air quality and thermal conditions in an occupiedzone. In mixing type air distribution systems air is suppliedinto a room through various types of outlets and distributed byturbulent air jets. These air jets are the primary factorsaffecting room air motion. The ASHRAE handbook recognises fourmajor zones of maximum velocity decay along a jet. Although numerous theoretical and experimental studies havebeen conducted to develop turbulent air jet theory from the1930's, air jet performance in the further field from theoutlet is still not well understood. Many studies were therefore carried out, and the followingconclusions can be drawn from them:     The end centerline velocities of zone 3 for both "free"jet and wall jet could strongly depend on the outletvelocities and room size.     TheK-value of wall jets could be a function of bothoutlet velocities and outlet size.     It is very important to choose suitable sampling time toevaluate jet performance.     CFD can not always be used to predict jet behaviour,especially for the jet with low outlet velocity and in thearea far away from the outlet. However, for a two-dimensionwall jet, CFD could be a powerful tool for designers. <b>KEYWORDS</b>: air jet, centerline velocity,K-velocity, air diffuser, ventilation, measurement,CFD

With the present drive in turbomachine engine developmenttowards thinner and lighter bladings, closer spaced blade rowsand higher aerodynamic loads per blade row and blade, advanceddesign criteria and accurate prediction methods for vibrationalproblems such as forced response become increasingly importantin order to be able to address and avoid fatigue failures ofthe machine early in the design process. The present worksupports both the search for applicable design criteria and thedevelopment of advanced prediction methods for forced responsein transonic turbine stages. It is aimed at a betterunderstanding of the unsteady aerodynamic mechanisms thatgovern forced response in transonic turbine stages and furtherdevelopment of numerical methods for rotor stator interactionpredictions. The investigation of the unsteady aerodynamic excitationmechanisms is based on numerical predictions of thethree-dimensional unsteady flow field in representative testturbine stages. It is conducted in three successive steps. Thefirst step is a documentation of the pressure perturbations onthe blade surface and the distortion sources in the bladepassage. This is performed in a phenomenological manner so thatthe observed pressure perturbations are related to thedistortion phenomena that are present in the blade passage. Thesecond step is the definition of applicable measures toquantify the pressure perturbation strength on the bladesurface. In the third step, the pressure perturbations areintegrated along the blade arc to obtain the dynamic bladeforce. The study comprises an investigation of operationvariations and addresses radial forcing variations. With thehelp of this bottom-up approach the basic forcing mechanisms oftransonic turbine stages are established and potential routesto control the aerodynamic forcing are presented. For the computation of rotor stator interaction aerodynamicsfor stages with arbitrary pitch ratios a new numerical methodhas been developed, validated and demonstrated on a transonicturbine test stage. The method, which solves the unsteadythree-dimensional Euler equations, is formulated in thefour-dimensional time-space domain and the derivation of themethod is general such that both phase lagged boundaryconditions and moving grids are considered. Time-inclination isutilised to account for unequal pitchwise periodicity bydistributing time co-ordinates at grid nodes such that thephase lagged boundary conditions can be employed. The method isdemonstrated in a comparative study on a transonic turbinestage with a nominal non integer blade count ratio and anadjusted blade count ratio with a scaled rotor geometry. Thepredictions show significant differences in the blade pressureperturbation signal of the second vane passing frequency, whichwould motivate the application of the new method for rotorstator predictions with non-integer blade count ratios.

This work focuses on both high fidelity experimental and numerical thermal hydraulic studies and advanced frequency decomposition methods. The major contribution of this work is a proposed method for spatio-temporal decomposition of frequencies present in the flow. This method provides an instantaneous visualization of coherent frequency ?structures? in the flow. The significance of this technique from an engineering standpoint is the ease of implementation and the importance of such a tool for design engineers. To validate this method, synthetic verification data, experimental data sets, and numerical results are used. The first experimental work involves flow through the side entry orifice (SEO) of a boiling water reactor (BWR) using non-intrusive particle tracking velocimetry (PTV) techniques. The second experiment is of a simulated double ended guillotine break in the prismatic block gas cooled reactor. Numerical simulations of jet flow mixing in the lower plenum of a prismatic block high temperature gas cooled reactor is used as a final data set for verification purposes as well as demonstration of the applicability of the method for an actual computational fluid dynamics validation case.

QC 20100601