Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1999. / Vita. Includes bibliographical references (p. 204-210).

Thesis--University of Florida. / Description based on print version record. Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 328-332).

The pelagic zone of lakes is defined as the water column over the area of the lake benthos that does not receive enough light from the sun to allow macrophytes to grow. The four chapters of this thesis explore the spatial ecology of predator-prey interactions between schooling fish and their fish predators in this featureless environment. We first developed novel hydroacoustics methods to study fish and fish school swimming behaviour in the pelagic zone (Chapter 1 and 2). Then we characterized our in-situ school formation and prey movement observations using an ideal gas model to better understand the mechanisms that lead to fish and school densities during the daytime (Chapter 2 and 3). With this model we estimated the functional relationship between the schooling prey densities and predator encounter rates, and verified with empirical data a counterintuitive relationship that encounter rates decreased as overall prey densities increased (Chapter 3). The encounter rates suggested that predation within the pelagic zone might be greatly influenced by external forces if they provide spatial structure which encourages greater degrees of prey aggregation in predictable locations. In this regard we examined the predator-prey dynamics under wind and found large redistributions of prey and predators under windy conditions leading to greater aggregations in downwind locations. Further, we found that our study fish were larger in lakes that were oriented into the wind, perhaps demonstrating a benefit to fish growth under windy conditions (Chapter 4).

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Current thinking on the best propulsion system for a next-generation supersonic cruising (Mach 2 to Mach 4) aircraft is a mixed-flow turbofan engine with afterburner. This study investigates the performance increase of a turbofan engine through the use of isothermal combustion inside the high-pressure turbine (High-Pressure Turburner, HPTB) as an alternative form of thrust augmentation. A cycle analysis computer program is developed for accurate prediction of the engine performance and a supersonic transport cruising at Mach 2 at 60,000 ft is used to demonstrate the merit of using a turburner. When assuming no increase in turbine cooling flow is needed, the engine with HPTB could provide either 7.7% increase in cruise range or a 41% reduction in engine mass flow when compared to a traditional turbofan engine providing the sane thrust. If the required cooling flow in the turbine is almost doubled, the new engine with HPTB could still provide a 4.6% increase in range or 33% reduction in engine mass flow. In fact, the results also show that the degradation of engine performance because of increased cooling flow in a turburner is less than half of the degradation of engine performance because of increased cooling flow in a regular turbine. Therefore, a turbofan engine with HPTB will still easily out-perform a traditional turbofan when even more cooling than currently assumed is introduced. Closer examination of the simulation results in off-design regimes also shows that the new engine not only satisfies the thrust and efficiency requirement at the design cruise point, but also provides enough thrust and comparable or better efficiency in all other flight regimes such as transonic acceleration and take-off. Another finding is that the off-design bypass ratio of the new engine increases slower than a regular turbofan as the aircraft flies higher and faster. This behavior enables the new engine to maintain higher thrust over a larger flight envelope, crucial in developing faster air-breathing aircraft for the future. As a result, an engine with HPTB provides significant benefit both at the design point and in the off-design regimes, allowing smaller and more efficient engines for supersonic aircraft to be realized. / Ph. D.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Turboexpandern in der Gasleitungsbranche. Nach der Vorstellung der Bauarten werden Schaltschemen nach Stand der Technik erläutert, um nachfolgend auf die Ausnutzung des Kälteeffekts einzugehen. Hier sieht der Autor Potentiale in Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit im Bereich der Weiterleitung von Erdgas zum Endverbraucher. Das kombinierte Schema, bei dem die Erdgas-Entspannungsanlage zusätzlich zur Reduktionseinheit parallel angeschlossen wird, ist in solchen Fällen sinnvoll. Das Erhitzen des Gases erfolgt hier über die Wärmepumpe vor der Entspannungsturbine oder es findet nach der Druckreduktion statt. In diesem Fall findet die Expansion bei den niedrigeren Temperaturen (0–5 °С) statt, indem die Temperatur am Auslass der GVS durch Wärmeentnahme im Kälteblock bis zu einem zulässigen Wert erhöht wird. Die Menge der produzierten Energie vermindert sich infolge der Temperatursenkung vor der Expansionsturbine, doch besteht die Möglichkeit, dabei Kälte zu produzieren und diese danach anzuwenden. Die Berechnungsergebnisse der thermodynamischen Eigenschaften sind dargestellt. Der Wärmeenergieverbrauch für die Erwärmung des Gases (Leistung der Wärmepumpe) und für die Leistung des Kälteblocks wird in dieser Arbeit erläutert. Des Weiteren werden Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit von Turboexpandern beleuchtet.

In this thesis extensions to the formalism of endoreversible thermodynamics for multi-extensity fluxes and chemical reactions are introduced. These extensions make it possible to model a great variety of systems which could not be investigated with standard endoreversible thermodynamics. Multi-extensity fluxes are important when studying processes with matter fluxes or processes in which volume and entropy are exchanged between subsystems. For including reversible as well as irreversible chemical reaction processes a new type of subsystems is introduced - the so called reactor. It is similar to endoreversible engines, because the fluxes connected to it are balanced. The difference appears in the balance equations for particle numbers, which contain production or destruction terms, and in the possible entropy production in the reactor. Both extensions are then applied to an endoreversible fuel cell model. The chemical reactions in the anode and cathode of the fuel cell are included with the newly introduced subsystem -- the reactor. For the transport of the reactants and products as well as the proton transport through the electrolyte membrane, the multi-extensity fluxes are used. This fuel cell model is then used to calculate power output, efficiency and cell voltage of a fuel cell with irreversibilities in the proton and electron transport. It directly connects the pressure and temperature dependencies of the cell voltage with the dissipation due to membrane resistance. Additionally, beside the listed performance measures it is possible to quantify and localize the entropy production and dissipated heat with only this one model. / In dieser Arbeit erweitere ich den Formalismus der endoreversiblen Thermodynamik, um Flüsse mit mehr als einer extensiven Größe sowie chemische Reaktionsprozesse modellieren zu können. Mit Hilfe dieser Erweiterungen eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten für endoreversible Modelle. Flüsse mit mehreren extensiven Größen sind für die Betrachtung von Masseströmen ebenso nötig wie für Prozesse, bei denen sowohl Volumen als auch Entropie zwischen zwei Teilsystem ausgetauscht werden. Für sowohl reversibel wie auch irreversibel geführte chemische Reaktionsprozesse wird ein neues Teilsystem - der "Reaktor" - vorgestellt, welches sich ähnlich wie endoreversible Maschinen durch Bilanzgleichungen auszeichnet. Der Unterschied zu den Maschinen besteht in den Produktions- bzw. Vernichtungstermen in den Teilchenzahlbilanzen sowie der möglichen Entropieproduktion innerhalb des Reaktors. Beide Erweiterungen finden dann in einem endoreversiblen Modell einer Brennstoffzelle Anwendung. Dabei werden Flüsse mehrerer gekoppelter Extensitäten für den Zustrom von Wasserstoff und Sauerstoff sowie für den Protonentransport durch die Elektrolytmembran benötigt. Chemische Reaktionen treten in der Anode und Kathode der Brennstoffzelle auf. Diese werden mit dem neu eingeführten Teilsystem, dem Reaktor, eingebunden. Mit Hilfe des Modells werden dann Wirkungsgrad, Zellspannung und Leistung einer Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der Partialdrücke der Substanzen, der Temperatur sowie der Dissipation beim Protonentransport berechnet. Dabei zeigt sich, dass experimentelle Daten für die Zellspannung sowohl qualitativ als auch näherungsweise quantitativ durch das Modell abgebildet werden können. Der Vorteil des endoreversiblen Modells liegt dabei in der Möglichkeit, mit nur einem Modell neben den genannten Kenngrößen auch die abgegebene Wärme sowie die Entropieproduktion zu quantifizieren und den einzelnen Teilprozessen zuzuordnen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Turboexpandern in der Gasleitungsbranche. Nach der Vorstellung der Bauarten werden Schaltschemen nach Stand der Technik erläutert, um nachfolgend auf die Ausnutzung des Kälteeffekts einzugehen. Hier sieht der Autor Potentiale in Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit im Bereich der Weiterleitung von Erdgas zum Endverbraucher. Das kombinierte Schema, bei dem die Erdgas-Entspannungsanlage zusätzlich zur Reduktionseinheit parallel angeschlossen wird, ist in solchen Fällen sinnvoll. Das Erhitzen des Gases erfolgt hier über die Wärmepumpe vor der Entspannungsturbine oder es findet nach der Druckreduktion statt. In diesem Fall findet die Expansion bei den niedrigeren Temperaturen (0–5 °С) statt, indem die Temperatur am Auslass der GVS durch Wärmeentnahme im Kälteblock bis zu einem zulässigen Wert erhöht wird. Die Menge der produzierten Energie vermindert sich infolge der Temperatursenkung vor der Expansionsturbine, doch besteht die Möglichkeit, dabei Kälte zu produzieren und diese danach anzuwenden. Die Berechnungsergebnisse der thermodynamischen Eigenschaften sind dargestellt. Der Wärmeenergieverbrauch für die Erwärmung des Gases (Leistung der Wärmepumpe) und für die Leistung des Kälteblocks wird in dieser Arbeit erläutert. Des Weiteren werden Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit von Turboexpandern beleuchtet.

The cooling systems in a gas turbine are especially important as the turbine blades and vanes are exposed to extreme temperatures. The relatively cool air is extracted from the compressors and fed to the turbines to cool the turbine blades. The manufacturing of these blades and channels used to cool is especially complicated using conventional manufacturing techniques. Additive Manufacturing (AM) gives the designer much more freedom to design core components. The AM technique currently explored is the Selective Laser Melting process (SLM). The surface area is exposed to the cooling airflow by using lattice structures which can be manufactured at relative ease using AM. This thesis will provide some insights into using AM parts for the cooling, by analyzing the pressure drop that could be expected from superalloys that are manufactured using AM. The surface roughness is an inherent property of the AM components therefore it would be interesting to analyze a turbulent flow through AM channels (CM247LC and INCONEL 939). The thesis deals with turbulent flows as the airflow used for cooling in the gas turbine is most likely turbulent.  The friction factor (Darcy–Weisbach friction factor) is used to relate the impact of the surface roughness to the pressure drop. The results from the previous experiments are contrasted as the flow in the previous experiments was assumed to be fully developed but in reality, it was not. And the accuracy of the previous results to the actual fully developed flow will shed some light on the feasibility of the flow analysis techniques used in the previous experiments. It is found that the previous experimental results for the CM247LC TPs have good agreement with current experimental results but INCONEL 939 exhibits significant deviation. The possible reasons for the deviations are directly linked to the assumptions made to calculate the minor losses. The Test Pieces (TP) analyzed in this thesis have varying length to diameter (L/D) ratios and the impact of the variation of different L/D ratios is analyzed along with varying pressure ratios. Where the flow resistance increases with an increase in L/D and pressure ratio. The technique to accommodate the compressibility of the airflow is also explored in this thesis. Finally, reasons for the manifestation of anomalies are discussed. The probability of the compressibility effects of the airflow on the anomalies was found to be quite high, and concluding remarks are provided.

<p> The existence of significant and consistent fractionation of sulfur isotopes in natural coexisting sulfide mineral pairs is demonstrated. Such fractionations are shown to depend exclusively on the mineralogy of the assemblage and temperature of equilibration, consistent with a process of fractionation during equilibrium exchange of sulfur isotopes between the sulfide phases . The fractionation of sulfur isotopes between galena, sphalerite and pyrite has been determined experimentally over the temperature range 300-725°C . The fractionation for each mineral pair is shown to vary as T^(-2) so that three isotope geothermometer s have been calibrated. Experi mental results are applied to natural sulfide assemblages to determine the temperature of equilibration and extent to which isotopic equilibriurn has b een attained. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)