To predict fluid properties and interactions is an important task for the industry. It is plagued, however, by being close to impossible to predict analytically. Hence, it is customary to turn to numerical solutions. This in itself comes with many different methods and approaches suitable for different needs. This work focuses on two methods: Tip Vortex Index (TVI) and Diffused Vortex Hydrodynamics (DVH). TVI is a method to predict when a marine propeller will experience cavitation of tip vortices and is based on calculations from a Boundary Element Method (BEM). DVH is a particle method for simulating the circulation of a fluid in two dimensions and three dimensions. The aim is to investigate an implemented TVI model based on MPUF-3A for different marine propeller series, with different sub-designs for a total of 28 unique propellers, and implement the DVH method and test it for 3 different bodies. The results of this thesis show that the implemented TVI model is non-functional for the 28 different propellers, but the DVH method is successfully implemented and able to handle 2 different bodies. / Att förutspå fluid egenskaper och interaktioner är en viktig uppgift för industrin. Det plågas dock av att vara näst intil omöjligt att förutspå analytiskt. Det är därför vanligt att vända sig till numeriska lösningar. Detta kommer i sig med många olika metoder och tillvägagångssätt som passar olika behov. Detta arbete fokuserar på två metoder: Tip Vortex Index (TVI) och Diffused Vortex Hydrodynamics (DVH). TVI är en metod för att förutsäga när en marin propeller kommer att uppleva kavitation av spetsvirvlar och baseras på beräkningar från en Boundary Element Method (BEM). DVH är en partikelmetod för att simulera cirkulationen i fluid i två dimensioner och tre dimensioner. Syftet är att undersöka en implementerad TVI-modell baserad på MPUF-3A för olika marina propellerserier, med olika underdesigner, för totalt 28 unika propellrar, och implementera DVH-metoden och testa den för 3 olika kroppar. Resultaten av denna avhandling visar att den implementerade TVI-modellen är icke-funktionell för de 28 olika propellrarna, men DVH-metoden är framgångsrikt implementerad och kan hantera 2 olika kroppar

This thesis deals with study of dynamics of the swirling flow. The swirling flow occurs frequently in hydraulic machinery (e.g., vortex rope in draft tube of the hydraulic turbine) and often influences operation of these machines. For this reason, sufficient knowledge regarding this characteristic flow is necessary for subsequent improvement of hydraulic machines. The theoretical part of this thesis contains description of flow instabilities and their manifestations, notably Kármán vortex street and vortex rope. In the next part, two methods are applied to these two transient flows in order to identify their specific dynamic properties. The first method, Fourier transform, enables to find frequencies of transient flow. The second method, proper orthogonal decomposition (POD), enables to identify planar or spatial eigenmodes of a specific swirling flow. Proper orthogonal decomposition is used in this thesis to identify planar eigenmodes of Kármán vortex street and spatial eigenmodes of vortex rope.

In this thesis, a miniaturized energy harvester system is developed. The energy harvester converts fluid kinetic energy into electrical energy without using any rotating components. The working principle of the energy harvester is based on the so called vortex-induced vibration. Such systems have the potential to provide energy for wireless sensor networks in the field of inline measurements for gas, oil or water transportation systems. The theoretical background of the vortex-induced vibration (VIV) is studied. Based on the studies, a fluid-structure interaction simulation is carried out to optimize the structure of the energy harvester. As result, the conversion efficiency is significantly improved, which is experimentally confirmed. A series of demonstrators are manufactured according to the simulation and optimization results. It is tested on a self-constructed test bench. To further improve the performance, an electromagnetic generator is proposed, and therefore, a multimethod demonstrator realized. The demonstrators are working in air flow already at a velocity of 2 m/s, and reach the maximum efficiency at 3.6 m/s. This performance ranks among the best published results and is discussed in detail. / In der vorliegenden Arbeit wird ein miniaturisiertes Energiegewinnungssystem entwickelt, das unter Verzicht auf rotierende Komponenten kinetische Strömungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Funktion dieses Wandlers basiert auf der sogenannten wirbelinduzierten Vibration. Derartige Systeme besitzen unter anderem das Potenzial, drahtlose Sensornetzwerke zur Erfassung von Messdaten in Gas-, Öl- oder Wassertransportsystemen mit Energie zu versorgen zu können. In der Arbeit wird der theoretische Hintergrund der wirbelinduzierten Vibration untersucht und darauf basierend werden Fluid-Struktur-Wechselwirkungssimulationen zur Strukturoptimierung durchgeführt in deren Ergebnis eine theoretische Verbesserung der Effizienz des Wandlers um ein Mehrfaches erreicht wird, die auch praktisch bestätigt wird. Unter Berücksichtigung der Simulations- und Optimierungsergebnisse wurden eine Reihe von Demonstratoren gefertigt, die auf einem selbst konstruierten Prüfstand getestet wurden. Zur weiteren Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Wandlers wird ein zusätzlicher elektromagnetischer Generator vorgeschlagen und damit ein Multi-Methoden-Demonstrator technisch realisiert. Die Demonstratoren arbeiten in strömender Luft bereits bei Geschwindigkeiten von 2 m/s und erreichen bei 3,6 m/s ihre maximale Effizienz. Die erreichten Ergebnisse ordnen sich im Vergleich mit denen aus entsprechenden Publikationen vorn ein und werden ausführlich diskutiert.

In the flow past bluff bodies for a certain range of velocity a periodical vortex shedding emerges which is known as von Kármán vortex street. This phenomenon causes the periodical alteration of pressure field which affects the body. Should the vortex shedding frequency be similar to the body natural frequency, the amplitude of vibration significantly increases which can lead to fatigue cracking. In the case of water turbines, this phenomenon often affects the stay vanes. Both the vortex shedding frequency and the lift force amplitude can be influenced by the modification of the trailing edge geometry. The aim of this thesis is to use CFD computation in order to find the optimal geometry of the stay vane trailing edge for the specific Francis turbine unit.

In this thesis, a miniaturized energy harvester system is developed. The energy harvester converts fluid kinetic energy into electrical energy without using any rotating components. The working principle of the energy harvester is based on the so called vortex-induced vibration. Such systems have the potential to provide energy for wireless sensor networks in the field of inline measurements for gas, oil or water transportation systems. The theoretical background of the vortex-induced vibration (VIV) is studied. Based on the studies, a fluid-structure interaction simulation is carried out to optimize the structure of the energy harvester. As result, the conversion efficiency is significantly improved, which is experimentally confirmed. A series of demonstrators are manufactured according to the simulation and optimization results. It is tested on a self-constructed test bench. To further improve the performance, an electromagnetic generator is proposed, and therefore, a multimethod demonstrator realized. The demonstrators are working in air flow already at a velocity of 2 m/s, and reach the maximum efficiency at 3.6 m/s. This performance ranks among the best published results and is discussed in detail. / In der vorliegenden Arbeit wird ein miniaturisiertes Energiegewinnungssystem entwickelt, das unter Verzicht auf rotierende Komponenten kinetische Strömungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Funktion dieses Wandlers basiert auf der sogenannten wirbelinduzierten Vibration. Derartige Systeme besitzen unter anderem das Potenzial, drahtlose Sensornetzwerke zur Erfassung von Messdaten in Gas-, Öl- oder Wassertransportsystemen mit Energie zu versorgen zu können. In der Arbeit wird der theoretische Hintergrund der wirbelinduzierten Vibration untersucht und darauf basierend werden Fluid-Struktur-Wechselwirkungssimulationen zur Strukturoptimierung durchgeführt in deren Ergebnis eine theoretische Verbesserung der Effizienz des Wandlers um ein Mehrfaches erreicht wird, die auch praktisch bestätigt wird. Unter Berücksichtigung der Simulations- und Optimierungsergebnisse wurden eine Reihe von Demonstratoren gefertigt, die auf einem selbst konstruierten Prüfstand getestet wurden. Zur weiteren Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Wandlers wird ein zusätzlicher elektromagnetischer Generator vorgeschlagen und damit ein Multi-Methoden-Demonstrator technisch realisiert. Die Demonstratoren arbeiten in strömender Luft bereits bei Geschwindigkeiten von 2 m/s und erreichen bei 3,6 m/s ihre maximale Effizienz. Die erreichten Ergebnisse ordnen sich im Vergleich mit denen aus entsprechenden Publikationen vorn ein und werden ausführlich diskutiert.