Det här examensarbetet har utförts i samarbete med Metso:Outotec, där målet var att utföra en grundlig produktutvecklingsprocess för en lösning som möjliggör granulering direkt från en kaldo-konverter. Kaldo-processen är en batchprocess där man konverterar metall och tappar den i en skänk för vidare bearbetning. Med en lösning för att granulera metallen direkt från konvertern kan man undvika transport av flytande metall genom att samla processer på samma plats samt besparas behovet av en transferugn. Genom insamling av information via litteraturstudie och intervjuer identifierades behov som användes som grund för kravspecifikationen. Flertalet koncept togs fram och utvärderades med kravspecifikationen i beakting. Resultatet blev ett konceptförslag som innefattar ett parallellänkage med motvikt och nivåindikation som operatören använder för att styra flödet. Vid högre krav på flödeskontrollen finns möjlighet att montera en sensor och aktuator med pinnplugg för en automatisk flödeskontroll.

Tails, fins, scales, and surface coatings are used by organisms for various tasks, including locomotion. Since millions of years of evolution have passed, we expect that the design of surface structures is optimal for the tasks of the organism. These structures serve as an inspiration in this thesis to identify new mechanisms for flow control. There are two general categories of fluid-structure-interaction mechanisms. The first is active interaction, where an organism actively moves parts of the body or its entire body in order to modify the surrounding flow field (e.g., birds flapping their wings). The second is passive interaction, where appendages or surface textures are not actively controlled by the organism and hence no energy is spent (e.g., feathers passively moving in the surrounding flow). Our aim is to find new passive mechanisms that interact with surrounding fluids in favourable ways; for example, to increase lift and to decrease drag. In the first part of this work, we investigate a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder or sphere). If the plate is sufficiently short and there is a recirculation region behind the body, the straight position of the appendage becomes unstable, similar to how a straight vertical position of an inverted pendulum is unstable under gravity. We explain and characterize this instability using computations, experiments and a reduced-order model. The consequences of this instability are reorientation (turn) of the body and passive dispersion (drift with respect to the directionof the gravity). The observed mechanism could serve as a means to enhance locomotion and dispersion for various motile animals and non-motile seeds. In the second part of this thesis, we look into effective models of porous and poroelastic materials. We use the method of homogenization via multi-scale expansion to model a poroelastic medium with a continuum field. In particular, we derive boundary conditions for the velocity and the pressure at the interface between the free fluid and the porous or poroelastic material. The results obtained using the derived boundary conditions are then validated with respect to direct numerical simulations (DNS) in both two-dimensional and three-dimensional settings. The continuum model – coupled with the necessary boundary conditions – gives accurate predictions for both the flow field and the displacement field when compared to DNS. / Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Eftersom djuren har genomgått miljontals år av evolution, kan man förvänta sig att ytstrukturernas form är optimala för organismens uppgifter. Dessa strukturer tjänar som inspiration i denna avhandling för att identifiera nya mekanismer för manipulering av strömning. Samverkan mellan fluider och strukturer (så kallad fluid-struktur-interaktion) kan delas upp i två kategorier. Den första typen av samverkan är aktiv, vilket innebär att en organism aktivt rör hela eller delar av sin kropp för att manipulera det omgivande strömningsfältet (till exempel fåglar som flaxar sina vingar). Den andra typen är passiv samverkan, där organismer har utväxter (svansar, fjärdar, etc.) eller ytbeläggningar som de inte aktivt har kontroll över och som således inte förbrukar någon energi. Ett exempel är fjädrar som passivt rör sig i det omgivande flödet. Vårt mål är att hitta nya passiva mekanismer som växelverkar med den omgivande fluiden på ett fördelaktigt sätt, exempelvis genom att öka lyftkraften eller minska luftmotståndet. I den första delen av detta arbete undersöker vi en enkel modell för en utväxt (i form av en platta) bakom en cirkulär cylinder eller sfär. Om plattan är tillräckligt kort och om det finns ett vak bakom kroppen kommer det upprätta läget av plattan att vara instabilt. Denna instabilitet är i princip samma som uppstår då man försöker balansera en penna på fingret. Vi förklarar den bakomliggande mekanismen av denna instabilitet genom numeriska beräkningar, experiment och en enkel modell med tre frihetsgrader. Konsekvenserna av denna instabilitet är en omorientering (rotation) av kroppen och en sidledsförflyttning av kroppen i förhållande till tyngdkraftens riktning. Denna mekanism kan användas djur och frön för att öka deras förmåga att förflytta eller sprida sig i vatten eller luft. I den andra delen av avhandlingen studerar vi modeller av porösa och elastiska material. Vi använder en mångskalig metod för att modellera det poroelastiska materialet som ett kontinuum. Vi härleder randvillkor för både hastighetsfältet och trycket på gränssnittet mellan den fria fluiden och det poroelastiska materialet. Resultaten som erhållits med de härledda randvillkoren valideras sedan genom direkta numeriska simuleringar (DNS) för både två- och tredimensionella fall. Kontinuumsmodellen av materialet kopplad genom randvillkoren till den fria strömmande fluiden predikterar strömnings- och förskjutningsfält noggrant i jämförelse med DNS.

There is a wide variety of tails, fins, scales, riblets and surface coatings, which are used by motile animals in nature. Since organisms currently living on earth have gone through millions of years of evolution, one can expect that their design is optimal for their tasks, including locomotion. However, the exterior of living animals has range of different functions, from camouflage to heat insulation; therefore it is a very challenging task to isolate mechanisms, which are beneficial to reduce the motion resistance of the body. There are two general categories of mechanisms existing in locomotion and flow control. The first is active flow control, when an organism is actively moving some parts or the whole body (exerts energy) in order to modify the surrounding flow field (for example, flapping bird wings). The second is passive flow control, in which an organism has an appendage or a coating, which is not actively controlled (no energy is spent), but is interacting with surrounding flow in a beneficial way. Our aim is to find novel mechanisms for passive flow control. We start by looking at a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder). If a recirculation region forms behind the body, already in this simple system there is a symmetry breaking effect for sufficiently short plates, which passively generates turn and drift of the body. We have found that this effect is caused by the pressure forces in the recirculation region, which pushes the plate away from the vertical in a manner similar to how a straight inverted pendulum falls under the influence of gravity. In order to investigate this symmetry breaking, we developed an extension of the immersed boundary projection method, in which the rigid body dynamics and fluid dynamics are coupled implicitly. The method is capable of solving for particle motion in a fluid for very small density ratios. We also explain our findings by a simple yet quantitative reduced-order model and soap-film experiments. To extend our work, we investigate flow around bodies, which are coated by a porous and elastic material. We have analysed various theoretical approaches to modeling a coating in a continuous manner. We aim to solve the governing equations numerically. We have selected multi-scale expansion approach, of which we present some initial results. / Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Evolutionen har främjat ojämna, sträva eller gropiga ytor, vilka har en tendens att minska det totala motståndet som uppstår när en kropp rör sig i vatten eller luft, jämfört med en helt slät och jämn yta.Det finns två kategorier av metoder för manipulering av strömning (så kallad flödeskontroll). Den första är en aktiv metod, där organismer aktivt rör hela eller delar av kroppen (förbrukar energi) för att manipulera omgivande strömningsfält. Den andra metoden är passiv, där organismer har utväxter eller ytbeläggningar som de inte är aktivt har kontroll över (ingen energi förbrukas), men som samverkar med omgivande strömningsfält på ett fördelaktigt sätt. Vårt mål är att hitta nya mekanismer för passiv flödeskontroll.Vi börjar med att studera en enkel modell för hur en utväxt samverkar med en strömmande fluid genom att fästa en platta på en cirkulär cylinder. Om en vak (så-kallad återcirkulationsregion) bildas bakom kroppen, bryts symmetrin i strömningsfältet då plattan är tillräckligt kort. Som en konsekvens av detta roterar kroppen och driver i sidled. Vi visar att detta fenomen orsakas av tryckkrafter i återcirkulationsregionen, som förskjuter plattan från dess vertikala läge. Vi argumenterar att denna mekanism är samma mekanism som får en inverterad pendel att falla under inverkan av gravitation. För att analysera symmetribrytningen, utvecklade vi en numerisk metod (immersed boundary projection method), som implicit kopplar stelkropps- och strömningsdynamik. Med hjälp av denna metod kan vi simulera partiklar i fluider med väldigt låga densitetsskillnader. Våra resultat förklaras även med hjälp av en enkel modell av låg ordning och med hjälp av såphinneexperiment.Som nästa steg i vårt arbete, ämnar vi att studera strömningen kring kroppar som är belagda av tät, porös och elastisk beläggning. Vi har analyserat möjliga tillvägagångssätt för att modellera beläggningar med kontinuumteori. Vi har valt en metod baserad på en flerskalig expansionsmetod, från vilken vi presenterar våra preliminära resultat. / <p>QC 20150119</p>