With a nation-wide aim toward reducing operational energy costs in buildings, it is important to understand the dynamics of controlled heating, cooling, and air circulation of an individual room, the "One-Room Model Problem." By understanding how one most efficiently regulates a room's climate, one can use this knowledge to help develop overall best-practice power reduction strategies. A key toward effectively analyzing the "One-Room Model Problem" is to understand the capabilities and limitations of existing commercial tools designed for similar problems. In this thesis we develop methodology to link commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software COMSOL with standard computational mathematics software MATLAB, and design controllers that apply inlet airflow and heating or cooling to a room and investigate their effects. First, an appropriate continuum model, the Boussinesq System, is described within the framework of this problem. Next, abstract and weak formulations of the problem are described and tied to a Finite Element Method (FEM) approximation as implemented in the interface between COMSOL and MATLAB. A methodology is developed to design Linear Quadratic Regulator (LQR) controllers and associated functional gains in MATLAB which can be implemented in COMSOL. These "closed-loop" methods are then tested numerically in COMSOL and compared against "open-loop" and average state closed-loop controllers. / Ph. D.

I Sverige ställs allt högre krav på nya byggnader genom bestämmelser och lagar som påverkar energianvändningen. Byggnader kan värmas upp med hjälp av olika typer av distributionssystem såsom radiatorer och golvvärme. Värmebehovet hos byggnaden baseras på hur mycket värmeenergi som behövs för att uppnå termisk komfort. För att begränsa energianvändningen används isolering i syfte att minimera värmeförlusterna genom byggnadens klimatskärm. Denna undersökning syftar till att undersöka förluster som sker genom kantbalken vid användning av vattenburet golvvärmesystem och hur dessa förluster påverkas då grundkonstruktionen tilläggsisoleras på olika sätt. Kantbalken är den förstärkta del som finns under markplattan/platta på mark, tar upp krafter från bärande väggar och finns efter sidorna på byggnaden. Golvvärme är en uppvärmningsteknik där slingor placeras i grundkonstruktionen och förser byggnader med dess värmebehov. Golvvärmesystem installeras på olika sätt beroende på byggnaders förutsättningar och är ett energieffektivt uppvärmningssätt i kombination med värmepump. Undersökningen påbörjades genom att skapa en förenklad modell som behandlar en 2-dimensionell kantbalksutformning i COMSOL Multiphysics, som är ett program för modellering där statiska och dynamiska simuleringar genomförs i modeller med hjälp av finita-elementmetoden. Fyra modeller skapades med två olika CC-mått (centrumavstånd) och två olika golvmaterial. Därefter skapades tre fall med förbättrande åtgärder för att öka kantbalkens isolerförmåga. Dynamiska simuleringar genomfördes och hade tidsintervallet 365 dagar med varierande utetemperatur. När utetemperaturen varierade var effektbehovet hos golvvärmen olika vilket ledde till att golvvärmetemperaturen justerades efter utetemperaturen för att upprätthålla samma temperatur på golvytan. Resultaten visar att kantbalken står för cirka 50 % av markkonstruktionsförlusterna med installerat L-element. Vid komplettering av konstruktionen med två fall av tillläggsisolering framkom inga större förändringar i resultaten. Genom att byta ut L-elementet till ett U-element minskar dock värmeförlusterna genom kantbalken till ca 30 %. Markkonstruktionsförluster är de förluster som överförs från byggnaden till närliggande mark. / Through laws and regulations in Sweden, increasing demands regarding energy use are affecting new buildings. A building achieving thermal comfort is attaining its thermal needs and can be done so through several types of distribution systems such as radiators and underfloor heating. Insulation is used to limit the amount of energy lost through the building’s envelope whilst keeping up with the thermal needs. This study is meant to examine the thermal leakage around the edge beam installa-tion when using a waterborne underfloor heating system and different sets of insulation are installed in the ground-related construction. The edge beam is the reinforced part located around the perimeter of the building absorbing forces from supporting walls. The study started with creating and using a simplified model in COMSOL Multiphysics to look at a two-dimensional edge beam formation. COMSOL Multiphysics is a software used for modeling different static and dynamic simulations via the finite element method. Four models were created using two different CC-dimensions (center to center distance) and two different floor materials. After this, three cases were created with improved circumstances regarding the ability to isolate heat around the edge beam. Dynamic simulations were made and calculated a year’s worth of varying outdoor temperatures. When the outdoor temperature changes, the requirements of the underfloor heating output also change which leads to its temperature adapting due to the outdoor temperature. The results indicate the edge beam related heat losses make up of about 50 % of the ground-related construction losses in the model. When completing the design with two instances of additional insulation, no major changes were found in the results. However, replacing the L-shaped insulation around the edge beam with a U-shaped insulation reduces heat losses through the edge beam to about 30 %. Ground-related construction losses are the losses transferred from the building to adjacent ground.

L’objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement la formation du capillaire durant le perçage et le soudage par faisceau laser, et de développer une simulation numérique permettant de reproduire la dynamique de formation et d'évolution du capillaire. Nous avons fait le choix d’utiliser comme matériau test le Zinc, en raison de ses propriétés thermodynamiques. Afin de simplifier le problème, nous avons étudié dans un premier temps le mécanisme de perçage. Deux méthodes expérimentales ont été utilisées pour caractériser l'évolution de la géométrie du capillaire : La méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle ) permet de visualiser le capillaire après perçage pour différentes durées et la méthode Zn-Quartz permet d’observer directement son évolution temporelle par camera rapide à travers une lame de quartz. Puis nous avons utilisé cette évolution pour mettre au point une simulation du mécanisme de perçage. Après avoir étudié le dépôt de puissance à l’intérieur d’un capillaire en tenant compte des réflexions multiples et estimé l'importance de la perte d'énergie et de matière lors du processus, nous avons développé une simulation en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics couplant l'équation thermique, l'équation de Navier Stokes et prenant en compte le déplacement du métal fondu sous l’action de la pression de recul. Dans ce cas, on observe la formation d’un bourrelet important au bord du trou et une augmentation de la profondeur du capillaire. Ensuite nous avons étudié la formation du capillaire durant le soudage laser, c'est-à-dire avec déplacement de la source. A partir des techniques mises en œuvre pour l’étude du perçage nous avons obtenu l’évolution de la forme du capillaire dans le cas du soudage Zn/Quartz. Nous avons réalisé une simulation relativement simple en supposant la géométrie et la température du capillaire connues a priori. Nous avons constaté qu’un modèle simple, modélisant uniquement les transferts thermiques par conduction, permet de bien simuler la forme de la zone fondue pour les couples Zn/Zn et Zn-quartz. / The aim of the present work is to study experimentally the formation of the capillary during the drilling and welding by laser beam and to develop the numerical simulation which allows following the dynamics and the evolution of the keyhole. The zinc was chosen as a test material because its thermodynamical properties are well known. To simplify the problem, in the first place the drilling mechanism was studied. Two experimental methods were used to characterize the evolution of the keyhole: the Direct Observation of Drilled Hole method, which allows the visualization of the keyhole after the application of laser pulses of different durations, and Zn-Quartz method, which allows the direct observation of keyhole evolution with CCD camera through the layer of quartz. Then, the information on keyhole evolution was used to develop the simulation of drilling mechanism. After studying the beam power deposition inside the capillary with taking in account the multiple photon reflections, and after estimation of the energy and matter loss during the process, we developed the simulation with FEM software COMSOL Multiphysics, which contains coupled heat transfer, fluid flow and free surface problem allowing considering the effect of recoil pressure on liquid phase ejection. We could observe the formation of an important bolster surrounding the keyhole and the increase of keyhole depth with time. Next, we studied the formation of the keyhole during the laser welding, in other words, during the displacement of the heat source. Using the same technique that was developed for laser drilling, we have obtained the information on keyhole evolution during zinc-quartz welding. We have created the simple simulation, where keyhole temperature and profile were considered as known a priori. We have stated that this model, which takes in account only conduction heat transfer problem, allows to reproduce well the shape of the melted zone both for zinc-zinc and zinc-quartz couples

No description available.

I dagens samhälle ligger stort fokus på att bygga miljövänliga och energieffektiva byggnader. För att möta de allt mer skärpta energikraven måste hela klimatskalet beaktas där köldbryggor utgör en betydande del. Examensarbetet går ut på att göra en sammanställning av linjära köldbryggor (ψ) för vanligt förekommande konstruktionsdetaljer där köldbryggor finns. Sammanställningen där olika isoleringsmaterial på fasadskiva och isolertjocklekar tabelleras, ska underlätta för framtida projektering. Två simuleringsprogram för beräkning av köldbryggor har jämförts och utvärderats med varandra. Utvärderingen har gjorts med avseende på vilket program som var mest lämpat för att lösa frågeställningen. De två simuleringsprogrammen som används vid detta arbete är HEAT2 och COMSOL Multiphysics. Arbetet har resulterat i en lathund som finns tillgänglig på ELU:s intranät. Lathunden innehåller U-värde och ψ-värde med illustrering av konstruktionsdetaljerna och i detta arbete redovisas tillvägagångssätt och utförandet. En utvärdering av det lämpligaste program för utförandet av uppgiften finns också redovisad. / Currently there is a lot of focus on environmentally friendly and energy efficient buildings in our society. To face the more toughen energy requirements, the entire climate shell of the building has to be considered there thermal bridges constitute a significant part. This bachelor dissertation intends to create a compilation for Ψ-values of common construction details where thermal bridges are to be found. The compilation with a chart that includes insulating material and insulation thickness shall simplify in future projecting. Furthermore, two simulating programs for calculations of thermal bridges have been compared with each other. The two simulation programs that have been used in this dissertation are HEAT2 and COMSOL Multiphysics. This dissertation has resulted in a quick reference guide which is available at ELU`s internal network. This quick reference guide includes U-values and Ψ-values with an illustration of every construction detail and the procedure and execution is reported in this dissertation. An evaluation of which of the two programs that has been used was more appropriate for this purpose is presented as well.

Heavy forestry machines have great immediate effect on soil properties. This increases the interest to develop approaches that help understanding better the interaction between the forest machines and the terrain and consequently develop the forwarders to be gentle to the environment. The most predominant indications of soil disturbances caused by harvesting are mainly rutting and soil compaction. It is critical to understand and evaluate these damages to be able to protect the remaining trees and improve their tree growth rate. Comprehending the bearing capacity of the soil and the interaction between tire and soil are the key issues to develop forest machines that preserve the terrain. The first step to accomplish this goal is to compare the rut depth theoretical data from empirical models with the rut depth data from a full scale field test, the models suitable to predict rut depth is descripted. Tree roots reinforce the forest floor and significantly increase the bearing capacity of the soil. The contribution from root layer to the soil bearing capacity depends on the number, diameter, orientation of the roots and their mechanical properties. To improve the root tensile strength model, a root bending and stretching laboratory test has been carry out and compared with FEM-based results. The existing Valmet 860. 3 Adams MBS model is finally used to study the suitability of the model to predict rut depth. A comparison between several existing methods to predict rut depth is also shown. / Tunga skogsmaskiner har stor omedelbar effekt på markens egenskaper. Detta ökar intresset för att utveckla strategier som underlättar förståelsen av samverkan mellan skogsmaskiner och terrängen och därmed utveckla framdrivning av dessa maskiner som är skonsam mot miljön. De dominerande indikationerna på markstörningar orsakade av hjulbaserade skogsmaskiner är främst spårbildning och jordkompaktering. Det är viktigt att förstå och utvärdera dessa skador för att kunna skydda de kvarvarande träden och förbättra deras tillväxt. Att förstå markens bärighet och samspelet mellan däck och mark är de viktigaste frågorna för att utveckla skogsmaskiner som skonar terrängen. Det första steget för att uppnå detta mål är att jämföra spårdjup vilka är framtagna med empiriska modeller med data för spårdjup från ett fullskaligt fälttest, där de modeller som lämpar sig för att förutsäga spårdjup är beskrivna. Trädrötter förstärker skogsmarken och ökar avsevärt jordens bärighet. Bidraget från rotlagret till jordens bärförmåga beror på antalet rötter, deras diameter samt rötternas orientering och deras mekaniska egenskaper. För att förbättra modellen för rötternas mekaniska egenskaper har rotböjning och rottöjning studerats i ett laboratorietest och vidare jämförts med FEM-baserade resultat. Den befintliga MBS modellen av skotaren Valmet 860.3 har slutligen används för att studera lämpligheten av modellen för att förutsäga spårdjup. En jämförelse mellan flera olika metoder för att förutsäga spårdjup visas också.

Predicting noise using computational methods is a common approach in the field of acoustics, offering flexibility and results before a potentially costly installation. This project explores the possibility to calculate the change in noise level emitted from a speaker covered by a capsule, filled with porous material and positioned in two different ways, using the finite element method in the program COMSOL for low to mid frequency bands. The Helmholtz equation is solved in the air medium of the model excluding wave propagation in the solid domain of the capsule where it is present. To replicate the attenuation from porous materials in COMSOL the Delany-BazleyMiki poroacoustics model is used. Comparing the calculation to a control measurement conducted at the Marcus Wallenberg Laboratory, provisional predictions of accuracy is given in groups of configurations and in 1/3-octave bands. Using the available computational power in a common office computer it might be difficult to accurately portray the real-world installation since it might be necessary to alter geometric region, physics or frequency rangedue to runtime issues resulting in deviating results. / Att förutspå ljuddämpning med hjälp av beräkningsmetoder är ett vanligt arbetssätt inom akustik som bidrar till flexibilitet och resultat innan en potentiellt kostsam installation. Det här projektet utforskar möjligheten att beräkna förändringen i ljudnivå från en högtalare som är täckt utav en kapsel fylld utav poröst material. Kapseln är placerad i två olika konfigurationer och finita element metoden används genom programmet comsol för att räkna ut ljudnivåer i låg och medelhöga frekvensband. Helmholtz ekvation löses i luftmediet som omger kapseln och högtalaren och Delany-Bazleys modell för porösa material används, vilken finns tillgänglig i COMSOL. Jämförelsen mellan beräkningen och en kontrollmätning gjord i Marcus Wallenbergs Laboratorium ger indikation på precisionen hos modellen, vilket visas i tersband. Med beräkningskraften hos en konventionell kontorsdator kan det vara svårt att noggrant beskriva den verkliga installationen där avsteg från verkligheten ofta handlar om förenklad geometri och fysik eller förändrat frekvensspann för att förhindra eskalerande problem med programmets körtid vilket leder till avvikande resultat.

The construction of infrastructures such as dams requires for the foundations to lay on stable ground. One way to do so is to grout the rock fractures present in the bedrock using concrete, and this also ensures that lower amounts of groundwater reach the infrastructure itself. However, the continuous flow of groundwater carrying various dissolved chemical compounds, will trigger over time the deterioration of the concrete grout by dissolving the mineral phases resulting from the hydration process. This study aims at determining the variations in porosity and hydraulic conductivity induced by the dissolution of portlandite content present in the grout following the groundwater flow. Eight different cases have been simulated in COMSOL Multiphysics®, based on various combinations of fracture geometry (rough and smooth), hydraulic gradient, and inflowing groundwater composition. Each model has two main components, one for the flow simulation and one for the reactive transport. The modules implemented from COMSOL Multiphysics® are Darcy’s Law, Chemistry, and Transport of Diluted Species in Porous Media. The software PHREEQC has been used to determine the chemical species concentration for both the initial and boundary conditions. The results show that, at the end of a 100-day period, the mineral concentration decreases from 56.27% to 61.27% depending on the simulation considered. This leads to an increase in porosity ranging from 1.94% to 2.23%, while hydraulic conductivity displays a minimum growth of 6.42% and a maximum of 7.43%. The sensitivity analysis results reveal that the most influencing factor on the degradation is the hydraulic gradient, which is followed by the fracture geometry, while the inflowing groundwater composition impact is not as high as the previous ones. / Byggandet av infrastrukturer som dammar kräver att grunden läggs på stabil mark. Ett sätt att uppnå detta är att fylla sprickor i berggrunden med betong, vilket också säkerställer att mindre mängder grundvatten når infrastrukturen. Det kontinuerliga flödet av grundvatten, som bär med sig olika lösta kemikalier, kan dock med tiden leda till att betongen bryts ner genom att mineralfaserna som bildas vid hydratiseringsprocessen löses upp. Denna studie undersöker hur porositeten och den hydrauliska ledningsförmågan förändras när portlandit i betongfogar löses upp av grundvattenflödet. Åtta olika scenarier har simulerats i COMSOL Multiphysics® med olika kombinationer av sprickgeometri (grov och slät), hydraulisk gradient och inkommande grundvattensammansättning. Varje modell består av två huvuddelar: en för flödessimulering och en för reaktiv transport. Modulerna från COMSOL Multiphysics® som används är Darcys lag, kemi och transport av utspädda ämnen i porösa medier. Programvaran PHREEQC har använts för att fastställa koncentrationen av kemiska ämnen för både initiala och gränsvillkor. Resultaten visar att efter 100 dagar minskar mineralkoncentrationen med mellan 56,27% och 61,27%, beroende på simuleringen. Detta leder till en ökning av porositeten med 1,94% till 2,23%, medan den hydrauliska ledningsförmågan ökar med minst 6,42% och högst 7,43%. Känslighetsanalysen visar att den hydrauliska gradienten är den mest påverkande faktorn för nedbrytningen, följd av sprickgeometrin. Sammansättningen av det inkommande grundvattnet har inte lika stor påverkan.

Les interactions entre des gouttes ou des bulles sont rencontrées dans de nombreuses applications industrielles et/ou environnementales. Ici, nous nous intéressons à l’électro-coalescence qui a des applications importantes comme par exemple la séparation eau/pétrole (coalescence de gouttelettes d'eau dans du pétrole). L’étude a été consacrée à l’élaboration et à la mise point de modèles basés sur les équations de Navier-Stokes et les équations régissant les champs électriques au niveau d’une seule goutte ainsi que l’interaction entre deux gouttes et plus particulièrement l’effet des forces hydrodynamiques et électrostatiques sur le mécanisme d’amincissement du film séparant les deux gouttes. Selon les cas traités, le suivi de l’interface est réalisé soit à l’aide de la méthode LS (Level Set) ou bien à l’aide de la méthode MM (Moving Mesh). Les solutions numériques ont été obtenues à l’aide du code de calcul COMSOL Multiphysics. Dans une première étape, nous avons analysé l’effet d’un champ électrique sur la déformation d’une seule goutte suspendue dans un autre fluide visqueux, pour différentes propriétés physiques et électriques des deux fluides. Le modèle a été testé et validé par confrontation avec les solutions analytiques existantes et avec des études numériques de la littérature. Nous avons examiné aussi l’influence du champ électrique sur la génération d’une goutte secondaire lors de la coalescence entre une goutte et une interface liquide-liquide déformable. Dans une seconde étape, nous avons étudié le drainage et la déformation de deux gouttes en interaction sous l’action d’une force constante. Contrairement à la théorie de lubrification basée entre autre sur l’hypothèse d’une petite déformation de l’interface, aucune hypothèse simplificatrice n’a été utilisée pour la résolution des équations, ce qui a permis d’obtenir des solutions numériques aussi bien pour les petites que pour les grandes déformations. Dans une troisième étape, nous avons examiné l’ascension d’une goutte isolée ou de deux gouttes de n-butanol dans l’eau sous l’influence de la force de flottabilité. L’évolution des vitesses terminales d’ascension des gouttes (goutte de tête/goutte suiveuse) et le drainage du film séparant les deux gouttes ont été analysées en présence et en l’absence de champ électrique. / Drops and bubbles interactions are encountered in various industrial and environmental applications. In this work, we focus on the electro-coalescence which has important industrial uses such as the destabilization of water / oil emulsions (coalescence of water droplets in oil). This study was devoted to the development and the elaboration of numerical models based on the Navier-Stokes equations and those describing the electrical field on a single drop as well as the interaction between two drops, and more particularly the effect of hydrodynamic and electrostatic forces on the thinning mechanism of the film separating the two drops. According to the treated cases, the interface tracking is achieved either by using the LS method (Level Set) or using the MM method (Moving Mesh). Numerical solutions were obtained using the commercial CFD software COMSOL Multiphysics. During the first step, we analyzed the effect of an electrical field on the deformation of a single suspended drop in another viscous fluid, for different physical and electrical properties of the two fluids. The model was tested and validated by comparison with existing analytical solutions and numerical studies found in the literature. We also analyzed the influence of the electric field on the generation of a secondary drop during the coalescence between a drop and a deformable liquid-liquid interface. In a second step, we investigated the drainage and deformation of two drops in interaction under the effect of a constant force. Unlike the lubrication theory which is based among others, on the assumption of a small interface deformation, in this work, no simplifying assumptions were used for the solution of equations, which allowed us to obtain numerical solutions for both small and large deformations. For the third step, we examined the rise of two drops of n-butanol in water under the influence of buoyancy force. The evolution of the drops terminal ascension velocity (leading drop/trailing drop), and the drainage of the film separating the two drops were analyzed in the presence and in the absence of electrical field.

The program COMSOL Multiphysics was used to simulate a flow of helium gas transporting ionized fission products out of an ion guide. Two important parameters to study from the simulation was the evacuation time and velocity of the ions. The mean evacuation time was shown to be 0.1173s, and the velocity of a single particle peaked at 2500m/s, 1000-1500m/s being more common.