The dissertation explores a framework for numerically simulating the deformation of the liquid metal wall's free surface in Z-pinch fusion devices. This research is conducted in the context of utilizing liquid metals as plasma-facing components in fusion reactors. In the Z-pinch fusion process, electric current travels through a plasma column and enters into a pool of liquid metal. The current flowing through the liquid metal generates Lorentz force, which deforms the free surface of the liquid metal. Modeling this phenomenon is essential as it offers insights into the feasibility of using liquid metal as an electrode wall in such fusion devices. The conventional magneto-hydrodynamic (MHD) formulation aims at modeling the situation where an external magnetic field is applied to flows involving electrically conducting liquids, with the initial magnetic field is known and then evolved over time through magnetic induction equation. However, in Z-pinch fusion devices, the electric current is directly injected into a conducting liquid. In these situations, an analytical expression for the magnetic field generated by the applied current is not readily available, necessitating numerical calculations. Moreover, the deformation of the liquid metal surface changes the geometry of the current path over time and the resulting magnetic field. By directly solving the Maxwell equations in combination with Navier-Stokes equations, it becomes possible to predict the magnetic field even when the fluid is in motion. In this dissertation, a numerical framework utilizing the Maxwell-Navier-Stokes system is explored to successfully capture the deformation of the liquid metal's free surface due to applied electric current. / Doctor of Philosophy / In this dissertation, a method is described that uses a computer to simulate how the initially stable, flat surface of liquid metal deforms when subjected to electrical currents in Z-pinch fusion devices, a specific type of nuclear fusion technology. Z-pinch fusion devices generate plasma, a hot fluid-like substance, through the nuclear fusion process, triggered and maintained by strong pulsated current. There's a growing interest in using liquid metal as the first layer of material to isolate the hot plasma from the rest of the nuclear fusion reactor body, rather than solid materials, due to its unique benefits. However, the Z-pinch fusion process, by introducing electric currents through the liquid metal layer, induces a Lorentz force that consequently deforms the surface of the liquid metal. Developing a tool to predict this deformation is vital as it aids in evaluating the potential of using liquid metal as a plasma-facing layer over solid materials in these fusion devices. The simulation tools presented in this dissertation are able to successfully captures the dynamics of how the liquid metal surface deforms under the impact of electrical currents.

QC 20100622

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012 / ENGLISH ABSTRACT: Through many years of research, a number of production schemes have been developed for converting lignocellulosic biomass into transport fuels. These technologies have been assessed through a number of techno-economic studies for application in a particular context in terms of the technical and economic feasibility. However, previous studies using these methods have tended to lack vigour in various aspects. Either the energy efficiency of the processes were not maximised through adequate heat integration, or a competing technology which existed was not considered. From an economic perspective, the financial models would often lack the vigour to account for the risk and uncertainty that is inherent in the market prices of the commodities. This phenomenon is especially relevant for the biofuel industry that faces the full fledge of uncertainties experienced by the agricultural sector and the energy sector. Furthermore, from an environmental perspective, the techno-economic studies had often ignored the environmental impacts that are associated with biofuel production. Thus, a comparative study could have favoured an option due to its economic feasibility, while it could have had serious environmental consequences. The aim of this study was to address these issues in a South African context, where biofuels could be produced from sugarcane bagasse. The first step would be to modify an existing simulation model for a bioethanol scenario that operates with a Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF process) configuration into a second processing scenario that operates with a Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF process) configuration using reliable experimental data. The second step was to ensure that the maximum energy efficiency of each scenario was realised by carrying out pinch point analysis as a heat integration step. In contrast to these biological models is the thermochemical model that converts bagasse to gasoline and diesel via gasification, Fischer-Tropsch synthesis and refining (GFT process). While there were no significant advances in technology concerning this type of process, the energy efficiency was to be maximised with pinch point analysis. The GFT process obtained the highest energy efficiency of 50.6%. Without the affects of pinch point technology, the efficiency dropped to 46%, which thus emphasises the importance of heat integration. The SSF had an efficiency of 42.8%, which was superior to that of the SHF at 39.3%. This resulted from a higher conversion of biomass to ethanol in the SSF scenario. Comparing the SHF model to an identical model found in literature that did not have pinch point retrofits, this study showed lower efficiency. This arose because the previous study did not account for the energy demands of the cold utility systems such as the cooling tower operation, which has been shown in this study to account for 40% of the electrical energy needs. The economic viability of all three processes was assessed with Monte Carlo Simulations to account for the risks that the fluctuations in commodity prices and financial indices pose. This was accomplished by projecting the fluctuations of these parameters from samples of a historical database that has been transformed into a probability distribution function. The consequences were measured in terms of the Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR) for a large number of simulations. The results of these variables were aggregated and were then assessed by testing the probability that the NPV<0, and that the IRR recedes below the interest rate of 12.64%. The investment was thus deemed unfeasible if these probabilities were greater than 20%. Both biological models were deemed profitable in terms of this standard. The probabilities were 13% for the SSF and 14% for the SHF. The GFT process however was deemed completely unfeasible because the probability that the NPV<0 was 78%. Given that the GFT process had the highest energy efficiency, this result arises mainly because the capital investment of 140,000USD/MWHHV of biomass energy input is to enormous for any payback to be expected. The environmental footprint of each process was measured using Life Cycle Assessments (LCAs). LCAs are a scientifically intricate way of quantifying and qualifying the effects of a product or process within a specified boundary. The impacts are assessed on a range of environmental issues, such as Global Warming, Acidification, Eutrophication and Human toxicity. Furthermore, if the project under concern has multiple output products, then the impacts are distributed between the output products in proportion to the revenue that each generates. The impacts were either relative to the flow of feedstock, which was 600MW of bagasse, or to the functional unit, which was the amount of fuel required to power a standard vehicle for a distance of 1 kilometre. In either case, the GFT scenario was the least burdening on the environmental. This was expected because the GFT process had the highest energy efficiency and the process itself lacked the use of processing chemicals. Relative to the feedstock flow, the SSF was the most environmentally burdening scenario due to the intensive use of processing chemicals. Relative to the functional unit, the SHF was the most severe due to its low energy efficiency. Thus, the following conclusions were drawn from the study:  The GFT is the most energy and environmentally efficient process, but it showed no sign of economic feasibility. iv  There is no significant difference in the economic and environmental evaluation of the SSF and SHF process, even though the SSF is considered to be a newer and more efficient process. The major cause of this is because the setup of the SSF model was not optimised. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Deur baie jare van navorsing is ‘n aantal produksie-skemas vir die omskakeling van lignosellulose biomassa na vloeibarebrandstof ontwikkel. Hierdie tegnologië is geassesseer ten opsigte van die tegniese en ekonomiese haalbaarheid deur middel van tegno-ekonomiese studies in bepaalde tekste. Tog het hierdie vorige studies besliste beperkings gehad. Of die energie-doeltreffendheid van die proses is nie gemaksimeer deur voldoende hitte-integrasie nie, of 'n mededingende tegnologie wat bestaan is nie oorweeg nie. Vanuit 'n ekonomiese perspektief, was die finansiële modelle dikwels nie die omvattend genoeg om rekening te hou met die risiko en onsekerheid wat inherent is in die markpryse van die kommoditeite nie. Hierdie verskynsel is veral relevant vir die biobrandstof bedryf wat die volle omvang van onsekerhede ervaar waaraan die landbousektor en die energiesektoronderhewig is. Verder het die tegno-ekonomiese studies dikwels die omgewingsimpakte wat verband hou met biobrandstofproduksie geïgnoreer. Dus kon ‘n opsie deur die ekonomiese haalbaarheid bevoordeel word, ten spyte van die ernstige omgewingsimpakte wat dit kon inhou. Die doel van hierdie studie was om hierdie kwessies aan te spreek in 'n Suid-Afrikaanse konteks, waar biobrandstof uit suikerriet bagasse geproduseer kan word. Die eerste stap was om 'n bestaande simulasiemodel vir 'n bio-scenario wat met Afsonderlike Hidroliese en Fermentasie (SHF proses) stappe werk, te modifiseer vir 'n tweede verwerking scenario wat met 'n gelyktydige Versuikering en Fermentasie (SSF proses) konfigurasie werk. Die verandering is gedoen deur die gebruik van betroubare eksperimentele data. Die tweede stap was om te verseker dat elke scenario die maksimum energie-doeltreffendheid het, deur 'n hitte-integrasie stap, wat gebruik maak van “pinch-point” analise. In teenstelling met hierdie biologiese modelle, is daar die thermochemiese roete waar petrol en diesel van bagasse vervaardig word via vergassing, Fischer-Tropsch-sintese en rafinering (GFT proses). Daar was geen betekenisvolle vooruitgang in tegnologie vir hierdie proses nie, maar die energie-doeltreffendheid is gemaksimeer word deur energie-integrasie. Die GFT proses toon die hoogste energie-doeltreffendheid van 50,6%. Sonder die invloed van energie-integrasie het die doeltreffendheid gedaal tot 46%, wat dus die belangrikheid van hitte-integrasie beklemtoon. Die SSF het 'n effektiwiteit van 42,8% gehad, wat beter was as dié 39,3% van die SHF opsie. Hierdie hoër effektiwiteit wasas gevolg van die hoër omskakeling van biomassa na etanol in die SSF scenario. Die energie doeltreffendheid vir die SHF-model was laer as met 'n identiese model (sonder energie-integrasie) wat in die literatuur gevind wat is. Dit het ontstaan omdat die vorige studie nie 'n volledig voorsiening gemaak het met die energie-eise van die verkillingstelselsnie, wat tot 40% van die elektriese energie behoeftes kan uitmaak. Die ekonomiese lewensvatbaarheid van al drie prosesse is bepaal met Monte Carlo simulasies om die risiko's wat die fluktuasies in kommoditeitspryse en finansiële indekse inhou, in berekening te bring. Hierdie is bereik deur die projeksie van die fluktuasies van hierdie parameters aan die hand van 'n historiese databasis wat omskep is in 'n waarskynlikheid verspreiding funksie. Die gevolge is gemeet in terme van die netto huidige waarde (NHW) en Interne Opbrengskoers (IOK) vir 'n groot aantal simulasies. Die resultate van hierdie veranderlikes is saamgevoeg en daarna, deur die toets van die waarskynlikheid dat die NPV <0, en dat die IRR laer as die rentekoers van 12,64% daal, beoordeel. Die belegging is dus nie realiseerbaar geag as die waarskynlikhede meer as 20% was nie. Beide biologieseprosesse kan as winsgewend beskou word in terme van bostaande norme. Die waarskynlikhede was 13% vir die SSF en 14% vir die SHF. Aangesien die NHW van die GFT-proses onder 0 met ‘n waarskynlikheid van 78% is, is die opsie as nie-winsgewend beskou. Gegewe dat die GFT-proses die hoogste energie-doeltreffendheid het, is die resultaat hoofsaaklik omdat die kapitale belegging van 140,000 USD / MWHHV-biomassa energie-inset te groot is, om enige terugbetaling te verwag. Die omgewingsvoetspoor van elke proses is bepaal deur die gebruik van Lewens Siklus Analises (“Life Cycle Assessments”) (LCAS). LCAS is 'n wetenskaplike metodeom die effek van ‘n produk of proses binne bepaalde grense beide kwalitatief en kwantitatief te bepaal. Die impakte word beoordeel vir 'n verskeidenheid van omgewingskwessies, soos aardverwarming, versuring, eutrofikasie en menslike toksisiteit. Voorts, indien die projek onder die saak verskeie afvoer produkte het, word die impakte tussen die afvoer produkte verdeel, in verhouding tot die inkomste wat elkeen genereer. Die impak was met of relatief tot die vloei van roumateriaal (600MW van bagasse), of tot die funksionele eenheid, wat die hoeveelheid van brandstof is om 'n standaard voertuig aan te dryf oor 'n afstand van 1 kilometer. In al die gevalle het die GFT scenario die laagste belading op die omgewing geplaas. Hierdie is te verwagte omdat die GFT proses die hoogste energie-doeltreffendheid het en die proses self nie enige addisionele chemikalieë vereis nie. Relatief tot die roumateriaal vloei, het die SSF die grootse belading op die omgewing geplaas as gevolg van die intensiewe gebruik van verwerkte chemikalieë. Relatief tot die funksionele eenheid, was die SHF die swakste as gevolg van sy lae energie-doeltreffendheid.

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne. / This work considers the interaction between a flow field and the microscopic degrees of a freedom of a polymer solution. Different flow configurations were considered.Droplet pinch off, which occurs when a drop of liquid detaches from a capillary, can be strongly modified in the presence of polymers giving rise to long and slender filaments that thin slowly in time. We here study experimentaly the dynamics of necking and the conformations of polymers during the thinning of the neck. Our results show that the slow down of the thinning dynamics is the result of polymer stretching. Moreover, during the filament thinning, the polymer length distribution remains the same. This result is unexpected and led us to introduce a new method to estimate the extensionnal viscosity which represents the polymer solution resistance to stretching.In a second flow configuration, we have observed that depletion of polymer molecules near a surface occurs when a bead approaches a plate in a polymer solution.

This work investigates the fundamental device limits related to operational voltage constraints and linearity in state-of-the-art silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) in order to support the design of robust next-generation high-frequency transceivers. This objective requires a broad understanding of how much "usable" voltage exists compared to conventionally defined breakdown voltage specifications, so the role of avalanche-induced current-crowding (or "pinch-in") effects on transistor performance and reliability are carefully studied. Also, the effects of intermodulation distortion are examined at the transistor-level for new and better understanding of the limits and trade-offs associated with achieving enhanced dynamic range and linearity performance on existing and future SiGe HBT technology platforms. Based on these investigations, circuits designed for superior dynamic range performance are presented.

Les phénomènes interfaciaux impliqués dans les écoulements polyphasiques existent dans de nombreux procédés industriels. Des gouttes et des bulles sont des éléments typiques pour comprendre les phénomènes interfaciaux. Ainsi, cette thèse étudie les gouttes (bulles) impliquées dans la manipulation d’une interface, y compris la rupture de l'interface, le mouvement d’une goutte sur une surface superhydrophobe et le contact sur un support solide à l’aide d’un système d'acquisition pour des signaux électriques. Dans la première partie, une caméra rapide est utilisée pour étudier la dynamique de pincement des fluides homogènes et des ferrrofluides hétérogènes à travers des systèmes confinés et non-confinés liquide-liquide ou liquide-gaz. L'effet de compétition entre les différentes forces telles que la poussée d’Archimède, la force magnétique, la gravité et la tension interfaciale sur la rupture finale d’un fluide interne dans un environnement fluide externe est démontré et quantifié. La deuxième partie est consacrée à la manipulation d’une goutte aqueuse à l’aide d’une interface superhydrophobe sous deux angles distincts : saut d’obstacle de la goutte sur une surface solide revêtue d’une couche superhydrophobe ; déshabillement d’une goutte enveloppée de particules superhydrophobes dite "marbre liquide" sur un film huileux. Le comportement dynamique du saut d’obstacle et du déshabillement des gouttes est quantifié et comparé dans des conditions opératoires très différentes telles que la viscosité, la tension interfaciale, la géométrie d’obstacle, etc. La troisième partie est dévolue au contact d’une goutte sur un support solide: contact initial, étalement, et pincement final des fluides tant newtoniens que non newtoniens, grâce à une méthodologie combinant la caméra rapide et un système d'acquisition ultra-rapide d’un signal électrique / The interfacial phenomena in multiphase flows widely exist in numerous industrial processes. Drops and bubbles are typical models to investigate these interfacial phenomena. Thus this thesis investigates the drop (bubble) involved interface manipulation, including the breakup of interface, drop’s motion on superhydrophobic surface and Dripping-on-Substrate with an acquisition system of electric signals. In the first part, the pinch-off dynamics of homogenous fluids and heterogeneous ferrrofluids, unconfined liquid-liquid (liquid-gas) or confined liquid-liquid systems was investigated by a high-speed camera. The effect of buoyancy, magnetic force, gravity and interface tension between internal and external fluids on the final pinch-off was demonstrated and quantified. The second part focuses on the drop manipulation on superhydrophobic interface through two distinct approaches: superhydrophobic coating on a substrate and superhydrophobic particles enveloping a liquid drop to form “liquid marble”. The hurdling behavior of liquid drops on superhydrophobic obstacles and undressing dynamics of liquid marbles on oil films were discussed and the slope motion of liquid drops and liquid marbles were then compared. The third part concentrates on the Dripping-on- Substrate behavior: initial contact and spreading on a solid surface, final pinch-off of Newtonian fluids and filament thinning of non-Newtonian fluids, through a methodology combining the high-speed camera and ultra-high-speed acquisition device of an electric signal

Rychlá globální industrializace a urbanizace kladla velkou zátěž na spotřebu přírodních zdrojů. Například nedostatek vody a znečištění vody již dlouhou dobu ovlivňují lidské životy a hospodářský rozvoj a uchýlení se k čisté sladké vodě se stává důležitým problémem. Rostoucí problémy s nepravidelným zásobováním vodou a znečištěním vody vyžadují pokročilejší metodiky hodnocení vodních zdrojů, které by vedly k praktickému využívání vody a hospodaření s ní. Dalším známým problémem je akumulace plastového odpadu v této možnosti, což vyvolává znepokojivé obavy ohledně dosažení optimální sítě pro zachování zdrojů, směřující k cíli oběhového hospodářství. Koncept cirkulární ekonomiky se zaměřuje nejen na ochranu zdrojů, ale také zdůrazňuje důležitost zachování a zachování životnosti aktiv. Tato práce je zaměřena na vývoj pokročilých přístupů k ochraně zdrojů a údržbě majetku Tato práce představuje rozšířenou analýzu metod založených na Pinch při zachování materiálových zdrojů pro průmyslové místo. Hlavní rozšíření zahrnují koncepční analýzu sítě pro zachování zdrojů, která zahrnuje omezení několika kvalit, cílení a syntézu záhlaví a syntézu sítě pro zachování materiálu v rámci celého webu. Tyto metody slouží uživatelům jako grafické uživatelské rozhraní k výběru preferovaných možností návrhu a zároveň zajišťují minimální spotřebu čerstvých zdrojů. Studie také rozšiřuje začlenění různých typů zdrojů, jako je teplo a voda, do ochranné sítě. Otázky řízení, jako je řízení zdrojů, dotace a rozdělování nákladů, jsou rovněž studovány pro ekologický průmysl. S ohledem na prodloužení životnosti aktiva je do této studie začleněno dlouhodobé plánování procesu nebo průmyslového areálu pokrývajícího věk majetku, odpisy a spolehlivost. Nástroje pro integraci procesů jsou navrženy tak, aby plánovaly náklady na údržbu na časové období a plánování pracovní síly. Studie je také rozšířena o další analýzu zahrnující investice do pohotovostních jednotek a technologií pro jakýkoli proces. Kombinace výkonu aktiv s ochranou zdrojů, rámce diagnostiky chyb a prognózy se aplikuje na plánování údržby majetku Total Site/Eco-industrial park.

Problémy s vodou, zejména její nedostatek a znečištění, ovlivňují každodenní lidský život a hospodářský vývoj. Globální změny klimatu zvyšují pravděpodobnost a četnost extrémních událostí jako jsou sucho a záplavy. Rostoucí problémy s nepravidelnou dostupností a znečištěním vody vyžadují pokročilejší metodiky hodnocení vodních zdrojů, které povedou k efektivnímu využití a hospodaření s vodou. Tato práce se zabývá rozšířenými metodikami pro hodnocení vody z pohledu její kvality a kvantity a pro hodnocení spotřeby energie a produkce emisí souvisejících s vodou. Tři hlavní metodiky jsou navrženy na základě konceptu vodní stopy (Water Footprint) a pinch analýzy vody (Water Pinch Analysis) pro posouzení kvantitativních a kvalitativních hledisek využití a spotřeby vody. Použití těchto metod je rovněž demonstrováno pomocí numerických a empirických případových studií zaměřených na hodnocení a optimalizaci využití regionálních a průmyslových vodních zdrojůDále jsou diskutovány souvislosti mezi vodou a energií (Water-Energy Nexus) za účelem analýzy problémů týkající se vody z širší perspektivy. Z pohledu vody a vodních zdrojů je provedeno počáteční zhodnocení energetické náročnosti a produkce emisí skleníkových plynů v problematice odsolování mořské vody. Výsledky prezentované v této práci navazují na současné metodiky hodnocení vodních zdrojů. Stopa dostupnosti vody (Water Availability Footprint) byla navržena pro zohlednění dopadu degradace kvality vody ve stávajících postupech pro posuzování nedostatku vody, ve kterých nebyla dříve řešena. Druhým přínosem této práce je návrh konceptu kvantitativní-kvalitativní vodní stopy (Quantitative-Qualitative Water Footprint - QQWFP), ve kterém je definována vodní stopa z pohledu nákladů a následně je stanovena v souvislosti s celkovými náklady na spotřebu vody a odstraňování kontaminantů, které se do vody dostávají v průběhu jejího využití. Vodní stopa založená na nákladech poskytuje výsledky, které jsou intuitivnější jak pro management vodních zdrojů tak i pro veřejnost. Tento přístup umožňuje lépe kontrolovat a řídit průmyslové a regionální využívání a správu vody. Třetím přínosem této práce je rozšíření pinch analýzy nedostatku vody (Water Scarcity Pinch Analysis - WSPA), ve které je aplikována pinch analýzy vody na makroúrovni se zaměřením na regionální hodnocení a optimalizaci zdrojů a využívání vody. Všechny tři navržené metody jsou zaměřeny na stanovení dopadů využití vody z hlediska jejího množství a kvality, analýzy QQWFP a WSPA také pokrývají dopady vícečetných kontaminantů. Kromě hledání řešení se tato práce také pokouší naznačit potenciální směry pro budoucí výzkum v dané oblasti. Mezi významná potenciální témata k diskuzi patří 1) pokročilejší metoda kvantifikace vlivu více kontaminantů a 2) implementace a analýza ekonomické proveditelnosti přístupů WSPA a QQWFP s lokalizovanými daty s cílem nalézt přizpůsobené řešení pro optimální využití regionální a průmyslové vody.

Master’s thesis deals with the problems of heat exchanger network synthesis and compare the present methods with emphasis on Pinch Design Method and deterministic method. Based on theoretical formulation of deterministic model the computer program for heat exchanger network synthesis was developed in the software Maple environment. Developed software implementation of deterministic method has been applied to several case studies.

No description available.