This dissertation focuses on developing algorithms and systems to improve the efficiency of operating mega datacenters with hundreds of thousands of servers. In particular, it seeks to address two challenges: First, how to distribute the workload among the set of datacenters geographically deployed across the wide area? Second, how to manage the server resources of datacenters using virtualization technology? In the first part, we consider the workload management problem in geo-distributed datacenters. We first present a novel distributed workload management algorithm that jointly considers request mapping, which determines how to direct user requests to an appropriate datacenter for processing, and response routing, which decides how to select a path among the set of ISP links of a datacenter to route the response packets back to a user. In the next chapter, we study some key aspects of cost and workload in geo-distributed datacenters that have not been fully understood before. Through extensive empirical studies of climate data and cooling systems, we make a case for temperature aware workload management, where the geographical diversity of temperature and its impact on cooling energy efficiency can be used to reduce the overall cooling energy. Moreover, we advocate for holistic workload management for both interactive and batch jobs, where the delay-tolerant elastic nature of batch jobs can be exploited to further reduce the energy cost. A consistent 15% to 20% cooling energy reduction, and a 5% to 20% overall cost reduction are observed from extensive trace-driven simulations. In the second part of the thesis, we consider the resource management problem in virtualized datacenters. We design Anchor, a scalable and flexible architecture that efficiently supports a variety of resource management policies. We implement a prototype of Anchor on a small-scale in-house datacenter with 20 servers. Experimental results and trace-driven simulations show that Anchor is effective in realizing various resource management policies, and its simple algorithms are practical to solve virtual machine allocation with thousands of VMs and servers in just ten seconds.

This dissertation focuses on developing algorithms and systems to improve the efficiency of operating mega datacenters with hundreds of thousands of servers. In particular, it seeks to address two challenges: First, how to distribute the workload among the set of datacenters geographically deployed across the wide area? Second, how to manage the server resources of datacenters using virtualization technology? In the first part, we consider the workload management problem in geo-distributed datacenters. We first present a novel distributed workload management algorithm that jointly considers request mapping, which determines how to direct user requests to an appropriate datacenter for processing, and response routing, which decides how to select a path among the set of ISP links of a datacenter to route the response packets back to a user. In the next chapter, we study some key aspects of cost and workload in geo-distributed datacenters that have not been fully understood before. Through extensive empirical studies of climate data and cooling systems, we make a case for temperature aware workload management, where the geographical diversity of temperature and its impact on cooling energy efficiency can be used to reduce the overall cooling energy. Moreover, we advocate for holistic workload management for both interactive and batch jobs, where the delay-tolerant elastic nature of batch jobs can be exploited to further reduce the energy cost. A consistent 15% to 20% cooling energy reduction, and a 5% to 20% overall cost reduction are observed from extensive trace-driven simulations. In the second part of the thesis, we consider the resource management problem in virtualized datacenters. We design Anchor, a scalable and flexible architecture that efficiently supports a variety of resource management policies. We implement a prototype of Anchor on a small-scale in-house datacenter with 20 servers. Experimental results and trace-driven simulations show that Anchor is effective in realizing various resource management policies, and its simple algorithms are practical to solve virtual machine allocation with thousands of VMs and servers in just ten seconds.

High combustion temperatures and long operation durations require the use of cooling techniques in liquid propellant rocket engines. For high-pressure and high-thrust rocket engines, regenerative cooling is the most preferred cooling method. In regenerative cooling, a coolant flows through passages formed either by constructing the chamber liner from tubes or by milling channels in a solid liner. Traditionally, approximately square cross sectional channels have been used. However, recent studies have shown that by increasing the coolant channel height-to-width aspect ratio and changing the cross sectional area in non-critical regions for heat flux, the rocket combustion chamber gas side wall temperature can be reduced significantly without an increase in the coolant pressure drop. In this study, the regenerative cooling of a liquid propellant rocket engine has been numerically simulated. The engine has been modeled to operate on a LOX/Kerosene mixture at a chamber pressure of 60 bar with 300 kN thrust and kerosene is considered as the coolant. A numerical investigation was performed to determine the effect of different aspect ratio cooling channels and different number of cooling channels on gas-side wall and coolant temperature and pressure drop in cooling channel.

Havets Hus i Lysekil bedriver en anläggning med ett flertal havsvattenakvarium som innehåller fiskar och havsdjur från svenska havsvatten. Till anläggningen tas det kontinuerligt in nytt havsvatten från Gullmarsfjorden, till några av akva-rierna kyls det inkommande havsvattnet med hjälp av en kylmaskin. I dagsläget är kylmaskinen luftkyld, vilket är ineffek-tivt. Havets Hus vill undersöka möjligheten att effektivisera kylprocessen genom att kyla maskinen mer effektivt, undersö-ka om det går att ta vara på värmeenergin som annars släpps ut i luften eller på något annat sätt göra kylprocessen mer effektiv.Sex alternativ för effektivare kylning har tagits fram. Det finns två inriktningar på alternativen, antingen att förbättra den befintliga installationen genom att till exempel kyla dess kondensor mer effektivt med hjälp utav havsvatten eller att installera nya maskiner. Det finns också ett kompletteringsalternativ som går att kombinera med alla de andra alternativen och går ut på att installera en värmeväxlare mellan ingående havsvatten som ska kylas och utgående havsvatten från de kylda akvarierna. Alternativet som ger störst ekonomisk sparpotential går ut på att installera två nya kylmaskiner. En som är dimensionerad efter Havets Hus varmvattenbehov och som tar värme från det inkommande havsvattnet och en som fyller upp det resterande kylbehovet. De nya maskinerna fyller det totala kylbehovet på Havets Hus, det vill säga både kylbehovet för det inkommande havsvattnet och för ventilationssystemet. Alternativet kan spara Havets Hus ca 184 000-199 000 kr/år och tillsammans med en värmeväxlare kan det spara ca 202 000-223 000 kr/år.

Växtväggen i byggnaden på Teknikringen 78A var en utgångspunkt i detta examensarbete där ett samarbete mellan KTH, Vertical plants system och examenstagare skedde. Arbetet gick ut på att undersöka växtväggen och studera olika påverkande faktorer. I dagsläget är det väldigt många faktorer och grundkällor som påverkan miljön vi lever i, inom byggbranschen sker dagligen utsläpp av farliga föroreningar som påverkar miljön och försvagar naturen. Av detta skäl valdes en miljövänlig alternativ lösning att studeras, nämligen växtväggar inomhus. För att ge en enkel förståelse för läsaren av rapporten har arbetet börjats med en internationell jämförelse mellan tre ledande företag inom området för växtväggar vars unika system undersöktes. Dessa tre var Nedlaw, Naava och Vertical Plants System AB. Därefter studerades olika miljöcertifieringssystem från SGBC och valet hamnade på BREEAM-SE. BREEAM-SE ett system som behandlar frågor inom såväl energianvändningen och inomhusluftkvalitet som är två betydande faktorer som påverkas av en växtvägg. Studien gick ut på att undersöka olika indikatorer inom områden och växtväggens förmåga att bidra vid poänggivning vid certifiering av en byggnad. Vidare gjordes en djupgående studie på kyleffektbehovet i byggnaden på Teknikringen 78A med olika mätvärde från företaget som monterade växtväggen i byggnaden samt fastighetsägaren Akademiska hus. Med hjälp av mätvärden kunde en slutsats dras om att växtväggar verkligen har ett märkbart kyleffektbidrag i byggnaden som i sin tur medförde en sänkning av kyleffektbehovet med minst ca 10% utan fläkt och ca 20% med fläkt. Därtill presenterades resonemanget om sänkning av ventilationsrörens dimension i byggnaden för att undersöka om man kan få ut ekonomiska- och miljöbesparingar med hjälp av en växtvägg eller inte. Resultatet visade att man kan spara upp till 36%. Slutligen utfördes en studie på alla för- och nackdelar av växtväggar inomhus med huvudfokus på växternas miljö- och hälsoeffekt i allmänhet. Detta gjordes mot bakgrunden att det faktiskt saknas tillgång till en detaljerad information och kunskap om växtväggar trots stor efterfråga i marknaden. Resultatet av studien visade att växter i sig innehåller många fördelar på det fysiska och psykiska hälsan, miljön och på samhället i stort. Tillika visade det sig att en växtvägg uppfyller en betydande estetisk funktion i en lokal. Rapporten avslutades med en sammanställning av alla resultat kring de olika delarna som presenterades i arbetet. Slutligen visade det sig att en växtvägg är en livslång investering på hälsan och miljön som bör beaktas oftare och bli större inom en bransch som denna då bygg står för utsläpp av många miljögifter. / The plant wall in the building at Teknikringen 78A was a starting point for this project, where collaboration between KTH, Vertical plants and examiners took place. The main focus was about exploring the plant wall and studying various influencing factors. There are many factors and sources that affect the environment we live in. Within the construction industry, daily emissions of hazardous pollutants affect the environment and diminish nature. For this reason, an environmentally friendly alternative solution like indoor plant walls was chosen to be studied. To provide a simple understanding for the reader of this report, work has begun with an international comparison of three leading companies in the field of plant walls whose unique systems were investigated. These three were Nedlaw, Naava and Vertical Plants System AB. Thereafter, various environmental certification systems were studied from the SGBC and the choice ended at BREEAM-SE. BREEAM-SE is a system that treats areas such as energy and indoor air quality issues, which are two significant factors influenced by a plant wall. The study was about investigating different indicators in areas and the plant wall's ability to contribute to scoring for the certification of a building. In addition, a thorough study of the cooling efficiency requirement was made in the building at Teknikringen 78A with different measurement values from the company that mounted the plant wall in the building and the property owner Akademiska hus. Using measurements, a conclusion could be drawn that plant walls really have a noticeable cooling effect contribution in the building, which in turn resulted in a reduction of the cooling efficiency requirement by at least about 10% without fan and about 20% with fan. In addition, the reasoning was presented about reducing the ventilation pipes dimension in the building to investigate whether or not to obtain economic and environmental savings using a plant wall. The result showed that you can save up to 36%. Finally, a study was conducted on all the benefits and cons of indoor plant walls, with focus on the environmental and health effects of the plants in general. This was done by the fact that there is actually no access to detailed information and knowledge of plant walls despite high demand in the market. The result of the study showed that plants in themselves contain many benefits to physical and mental health, the environment and society. Additionally, it appeared that a plant wall fulfills a significant aesthetic function in a local area. This report was completed with a summary of all results about the various parts presented above. Finally, it turned out that a plant wall is a lifelong investment in health and the environment and should be considered more often and become larger in an industry like this, since buildings branch is a brunch were a lot of emissions released into the environment.

Turbomachinery forms the principal prime mover in the energy and aviation industries. Due to its size, improvements to this fleet of machines have the potential of significant impact on global emissions. Due to high gas temperatures in stationary gas turbines and jet engines, areas of flow mixing and cooling are identified to benefit from continued research. Here, sensitive areas are cooled through cold air injection, but with the cost of power to compress the coolant to appropriate pressure. Further, the injection itself reduces output due to mixing losses.A turbine testing facility is center to the study, allowing measurement of cooling impact on a rotating low degree of reaction high pressure axial turbine. General performance, flow details, and cooling performance is quantified by output torque, pneumatic probes, and gas concentration measurement respectively. The methodology of simultaneously investigating the beneficial cooling and the detrimental mixing is aimed at the cavity purge flow, used to purge the wheelspace upstream of the rotor from hot main flow gas.Results show the tradeoff between turbine efficiency and cooling performance, with an efficiency penalty of 1.2 %-points for each percentage point of massflow ratio of purge. The simultaneous cooling effectiveness increase is about 40 %-points, and local impact on flow parameters downstream of the rotor is of the order of 2° altered turning and a Mach number delta of 0.01. It has also been showed that flow bypassing the rotor blading may be beneficial for cooling downstream.The results may be used to design turbines with less cooling. Detrimental effects of the remaining cooling may be minimized with the flow field knowledge. Stage performance is then optimized aerodynamically, mixing losses are reduced, and the cycle output is maximized due to the reduced compression work. The combination may be used to provide a significant benefit to the turbomachinery industry and reduced associated emissions. / Strömningsmaskinen i dess olika variationer bildar den främsta drivmotorn inom kraftproduktion och flygindustrin. En förbättring av denna väldiga maskinpark har potentialen till betydande inverkan på globala utsläpp. Områden som identifierats kunna dra nytta av vidare forskning är ombandningsprocesser och kylning. Dessa områden är inneboende i stationära gasturbiner och jetmotorer på grund av de heta gaser som används. Kylning uppnås genom injektion av kall luft i kritiska områden och försäkrar därmed säker drift. Kylningen kommer dock till en kostnad. På cykelnivå krävs arbete för att komprimera flödet till korrekt tryck. Dessutom medför injektionen i sig förluster som kan härledas till omblandningsprocessen. Syftet med detta arbete är att samtidigt undersöka de fördelaktiga kylegenskaperna som nackdelarna med inblandning för att på så sätt bestämma den uppoffring som måste göras för en viss kylning. Alla förbättringar tros dock inte behöva föregås av en uppoffring. Om påverkan av kylningen på huvudflödet är välförstådd kan designen justeras för att ta hänsyn till denna förändring och minimera inverkan. Denna metodologi riktar sig mot ett särskilt kylflöde, kavitetsrensningsflödet, som har till uppgift att avlägsna het luft från den kavitet som uppkommer uppströms rotorskivan i ett högtrycksturbinsteg. Studien kretsar kring en turbinprovanläggning som möjliggör detaljerade strömningsmätningar i ett roterande turbinsteg under inverkan av kavitetsrensningsflödet. Högtrycksturbinsteget som används för undersökningen är av låg reaktionsgrad. Här kvantifieras generell prestanda genom mätning av vridmomentet på utgående axel. Flödesfältet kvantifieras med pneumatiska sonder, och kylningsprestandan predikteras genom gaskoncentrationsmätningar. Resultaten visar avvägningen och sambandet mellan turbinverkningsgrad och kylning i kavitet samt huvudkanal. Flödet mäts i detalj, och de effekter som kan förväntas uppkomma då ett turbinsteg utsätts för en viss mängd av kylflödet kvantifieras. De kvantitativa resultaten för det undersökta steget visar på en förlust i verkningsgrad på 1.2 procentenheter för varje procentenhet av kavitetsrensningsflödet i termer om massflödesförhållande. Samtidigt ses kyleffektiviteten öka med 40 procentenheter. Den lokala inverkan på flödesfältet nedströms rotorn för det undersökta steget är 2° i flödesvinken och en ändring på 0.01 i Machnummer för varje procentenhet av kylflödet. Dessa ändringar ses i form av ökad omlänkning och reducerad hastighet nära hubben, och vice versa omkring halva spännvidden. Inverkan av aktuell driftpunkt understryks genom arbetet. Det har också visats att ett läckage som kringgår rotorbladen i vissa kan fall ge fördelaktig kylning i områden nedströms. Denna kombinerade kunskap kan användas för design av turbiner med så låg mängd kylning som möjligt samtidigt som säker drift bibehålls. Den negativa inverkan av den återstående kylningen kan minimeras genom kunskapen om hur flödesfältet påverkas. Genom detta optimeras stegverkningsgraden aerodynamiskt, omblandningsförluster minimeras, och cykeleffekten maximeras genom det minskade kompressionsarbetet till följd av de reducerade kylmängderna. Kombinationen kan ge en betydande förbättring för turbinindustrin och minskade utsläpp. / <p>QC 20171129</p>

this thesis complex inverse heat transfer problem, which is focused on optimal design of experiment, is studied. There are many fields and applications in technical practice, where inverse tasks are or can be applied. On first place main attention is focused on industrial metallurgical processes such as cooling of continues casting, hydraulic descaling or hot rolling. Inverse problems are in general used to calculate boundary conditions of differential equations and in this field are used to find out Heat Transfer Coefficient (HTC). Knowledge of numerical approximation of precise boundary conditions is nowadays essential. It allows for example design of optimized hot rolling mill cooling focused on material properties and final product quality. Sequential Beck’s approach and optimization method is used in this work to solve inverse heat transfer problems. Special experimental test bench measuring heat transfer intensity was developed and built to full fill specific requirements and required accuracy. There were four different types of thermal sensor applied and studied. Those sensors are in usage in Heat Transfer and Fluid Flow laboratory (Heatlab) at various experimental test benches. Each specific sensor was tailored in Heat Transfer and Fluid Flow Laboratory to specific metallurgical application. Fist type of sensor was designed to simulate cooling during continuous casting. Second sensor is used for experiments simulate hot rolling mill cooling, while third sensor is designated for experiments with fast moving hot rolled products. Last sensor is similar to sensor type one, but thermocouple is located parallel to cooled surface. Experimental part of this study covers series of measurements to investigate Heat Transfer Coefficient (HTC) for various types of coolant, cooling mixtures and spray parameters. Results discovered in this study were compared with published scientific articles, and widely extend the knowledge of cooling efficiency for commonly used

This thesis presents work on a holistic approach for improving the overall design of solar cooling systems driven by solar thermal collectors. Newly developed methods for thermodynamic optimization of hydraulics and control were used to redesign an existing pilot plant. Measurements taken from the newly developed system show an 81% increase of the Solar Cooling Efficiency (SCEth) factor compared to the original pilot system. In addition to the improvements in system design, new efficiency factors for benchmarking solar cooling systems are presented. The Solar Supply Efficiency (SSEth) factor provides a means of quantifying the quality of solar thermal charging systems relative to the usable heat to drive the sorption process. The product of the SSEth with the already established COPth of the chiller, leads to the SCEth factor which, for the first time, provides a clear and concise benchmarking method for the overall design of solar cooling systems. Furthermore, the definition of a coefficient of performance, including irreversibilities from energy conversion (COPcon), enables a direct comparison of compression and sorption chiller technology. This new performance metric is applicable to all low-temperature heat-supply machines for direct comparison of different types or technologies. The achieved findings of this work led to an optimized generic design for solar cooling systems, which was successfully transferred to the market.