A reinforced fiber-glass model of a NACA 4412 wing profile is designed and set-up in the Minimum Turbulence Level (MTL) wind tunnel facility at KTH. The model has 65 pressure taps orifices, and the set-up includes two mounting panels designed to allow for particle image velocimetry (PIV) and hot wire anemometry (HWA) measurements of the boundary layer (to be performed in a future campaign). In a first experimental campaign pressure scans are conducted at three angles of attack of interest (5,10 and 12 degrees), and at four different Reynolds numbers based on chord length and inflow velocity (200,000, 400,000, 1,000,000, and 1,640,000). The preliminary results show good agreement with DNS and LES data, however, the effective angle of attack of the wing is affected by the interference of the test section. In order to obtain proper flow conditions for future campaigns inside the test section, wall inserts are designed using 2D k-omega SST simulations. The side-walls are streamlined and the final geometry is corrected to account for the boundary-layer growth over them. The inserts are shown to avoid early separation near the trailing edge at higher angles of attack (10 and 12 degrees), but the 2D simulations fail to capture the aforementioned angle-of-attack issue affecting the pressure distributions. Future extensions of the present insert design should include both 3D simulations of the test-section and a robust optimization procedure to prescribe the resulting pressure distribution. / En NACA 4412 vingprofilsmodel av förstärkt glasfiber utformas och installeras enligt Minimum Turbulence Level (MTL) i vindtunnelanläggningen på KTH. Modellen har 65 tryckluftsöppningar, och uppsättningen innehåller två monteringspaneler som är utformade för att möjliggöra mätningar av particle image velocimetry (PIV) and hot wire anemometry (HWA) hos gränsskiktet (som ska utföras i en framtida kampanj). I en första experimentell kampanj utförs tryckskanningar vid tre anfallsvinklar av intresse (5, 10, och 12 grader) samt vid fyra olika Reynolds-nummer (200 000, 400 000, 1 000 000 och 1 640 000). De preliminära resultaten visar god överensstämmelse med DNS- och LES-data, men den effektiva anfallsvinkeln på vingen påverkas av störningar från testsektionen. För att tillhandahålla korrekta flödesförhållanden för framtida kampanjer i testdelen är vägginsatser konstruerade med 2D k-omega SST-simuleringar. Sidoväggarna är strömlinjeformade och den slutliga geometrin korrigeras för att ta hänsyn till gränsiktets tillväxt. Insatserna undviker den tidig separation som sker nära bakkanten vid högre anfallsvinklar (10 och 12 grader), men 2D-simuleringarna misslyckades med att fånga det ovan nämnda anfallsvinkelproblemet som påverkar tryckfördelningarna.

In this thesis, an innovative coarse grid CFD approach is developed that aims toexploit the capabilities of sub-channel codes and CFD methods while overcoming theirlimitations. In the approach, a very coarse mesh is implemented in the CFD softwareOpenFOAM and a new wall treatment, based on the traditional concept of the wallfunction, is applied to the wall boundary conditions of the domain to take into accountthe low resolution of the grid which does not allow to effectively capture the effect of thesolid walls on the thermo-hydraulics of the flow. To investigate the performance of thenew approach, the method is implemented first in three simple test cases for whichthe sub-channel codes are the state-of-the-art thermo-hydraulic analysis since theyare single-phase flow problems in which there are no prevailing 3D flow conditions.An additional test case representing a 2x2 fuel bundle with three full-length rods andone half-length rod is investigated to verify the behavior of the new approach in caseswhere secondary flows are present. The results for the pressure fields are comparedwith the analytical pressure profiles for the four test cases that well represent the onesthat would be obtained with sub-channel code analysis, while the results for the wallshear stresses obtained in the four test cases are compared with the ones obtained witha more refined mesh in which the traditional wall function approach is implementedsince they should be the best estimation of the actual wall shear stresses at the walldomain. For the first two cases, the developed approach produces reasonable resultswith a good agreement to the analytical pressure profiles while the other two testcases show that the methodology has a limited applicability and, before proceedingwith the extension of the new approach to single-phase problems with 3D prevailingphenomena and two-phase problems, it is necessary to solve the issues that emerge forsome types of cases. / I denna avhandling utvecklas en innovativ CFD-metod med grovt rutnät som syftar till att utnyttja kapaciteten hos underkanalskoder och CFD-metoder och samtidigt övervinna deras begränsningar. I metoden implementeras ett mycket grovt nät i CFD-programvaran OpenFOAM och en ny väggbehandling, baserad på det traditionella konceptet med vägg väggfunktion, tillämpas på domänens vägggränsvillkor för att ta hänsyn till den låga upplösningen av nätet som inte tillåter att effektivt fånga effekten av de solida väggar på flödets termo-hydraulik. För att undersöka prestandan hos den nya tillvägagångssättet implementeras metoden först i tre enkla testfall för vilka subkanalskoderna är den senaste termo-hydrauliska analysen eftersom de är enfasflödesproblem där det inte finns några rådande 3D-flödesförhållanden.Ett ytterligare testfall som representerar ett 2x2 bränsleknippe med tre fullängdsstavar och en halvlång stav undersöks för att verifiera beteendet hos den nya metoden i fall där sekundära flöden förekommer. Resultaten för tryckfälten jämförs med de analytiska tryckprofilerna för de fyra testfall som väl representerar de som som skulle erhållas med kodanalys av underkanalen, medan resultaten för väggskjuvspänningarna skjuvspänningar som erhållits i de fyra testfallen jämförs med de som erhållits med ett mer förfinat nät i vilket den traditionella väggfunktionsmetoden är implementerad eftersom de bör vara den bästa uppskattningen av de faktiska väggskjuvspänningarna vid väggens domän. För de två första fallen ger den utvecklade metoden rimliga resultat med en god överensstämmelse med de analytiska tryckprofilerna medan de andra två visar att metoden har en begränsad tillämplighet och, innan man går vidare med utvidgningen av den nya metoden till enfasproblem med 3D-fenomen och två fenomen och tvåfasproblem, är det nödvändigt att lösa de problem som uppstår för vissa vissa typer av fall.

The present thesis studies transition to turbulence in a spatially developing bound-ary layer for subcritical Reynolds numbers. A fully nonlinear iterative direct-adjoint optimisation technique is employed to identify finite amplitude perturbations triggering transition in an energy efficient way. The study explores two approaches to find the Reynolds number scaling of the subcritical transition energy threshold Ec(Re) and the corresponding nonlinear optimum which is the minimal seed for subcritical transition to turbulence. The first approach focuses on shortened optimisation time horizons T compared to a reference case with T = 400. It is shown that the transition energy threshold Ec increases for T = 200/300 when compared to the reference value Ec,T =400. This is linked to the existence of local optima which maximise the objective functional for short transient times. These local optima are fully localised and feature the Orr and liftup energy growth mechanisms as observed for the reference case. However, their long-time evolution is suboptimal since it leads to a stable streak configuration which is found to relaminarise also for initial amplitudes of E0 > Ec,T =400. The second approach of using an inflow Reynolds number increased by factor 3/2 but non-shortened T is shown to be suitable to identify the scaling Ec(Re). Exploratory optimisation runs suggest a decrease in the transition energy threshold of at leastEc(3/2 · Re)/Ec(Re) < 0.47. / Denna avhandling studerar turbulensöverång i ett rumsligt-utvecklande gränsskikt vid subkritiska Reynolds tal. En icke-linjär iterativ direkt-adjoint optimeringsteknik implimenteras för att indentifiera perturbationer med ändlig amplitud som leder till övergång på ett energieffektivt sätt. Studien utforskar två metoder för att hitta skalningen av Reynolds numret till den subkritiska energytröskeln Ec(Re) för övergång och det tillhörande icke-linjära optimum minimal seed som leder till subkritisk turbulensövergång. Den första metoden fokuserar på förkortade optimeringstidshorisonter T jämfört med referensfallet med T = 400. Det visar sig att energitröskeln Ec ökar för T = 200/300 jämfört med referensvärdet Ec,T =400. Detta är kopplat till förekomsten av lokala optima som maximerar the objective functional för korta transienta tidsho-risonter. Dessa lokala optima är helt lokala i rummet och uppvisar samma Orr och liftup energitillväxtmekanismer som referensfallet. Utvärderingen på lång sikt visar sig dock vara suboptimal då den leder till en stabil streak konfiguration som återför även initiella perturbationsamplituder E0 > Ec,T =400 till ett laminärt tillstånd. Den andra metoden, som använder sig av Reynolds tal ökade med en faktor 3/2 men icke-förkortade tidshorisonter T , visar sig lämplig för att identifiera skalningen Ec(Re). Utforskande optimering antyder att en minskning i energitröskeln för övergång medminst Ec(3/2 · Re)/Ec(Re) < 0.47.

In recent years, application of confluent jets for design of ventilation supply devices has been studied. Similarly, numerus studies have been made on the potential and application of variable air volume (VAV) in order to reduce the energy demand of ventilation systems. This study investigates the combination of supply devices based on confluent jets and VAV, both in terms of the nearfield flow behavior of the device and the impact on thermal comfort, indoor air quality and energy efficiency on a classroom-level space when the airflow rate is varied. The method used in this study is an experimental field study where the confluent jets-based supply devices were compared to the previously installed displacement ventilation. The field study evaluated the energy efficiency, thermal comfort and indoor air quality of the two systems. In the case of the confluent jets supply devices, airflow rate was varied in order to see what impact the variation had on the performance of the system for each airflow rate. Furthermore, the confluent jets supply devices were investigated both experimentally and numerically in a well insulated test room to get high resolution data on the particular flow characteristics for this type of supply device when the airflow rate is varied. The results from the field study show nearly uniform distribution of the local mean age of air in the occupied zone, even in the cases of relatively low airflow rates. The airflow rates have no significant effect on the degree of mixing. The thermal comfort in the classroom was increased when the airflow rate was adapted to the heat load compared to the displacement system. The results lead to the conclusion that the combination of supply devices based on confluent jets can reduce energy usage in the school while maintaining indoor air quality and increasing the thermal comfort in the occupied zone. The results from the experimental and numerical study show that the flow pattern and velocity in each nozzle is directly dependent on the total airflow rate. However, the flow pattern does not vary between the three different airflow rates. The numerical investigation shows that velocity profiles for each nozzle have the same pattern regardless of the airflow rate, but the magnitude of the velocity profile increases as the airflow increases. Thus, a supply device of this kind could be used for variable air volume and produce confluent jets for different airflow rates. The results from both studies show that the airflow rate does not affect the distribution of the airflow on both near-field and room level. The distribution of air is nearly uniform in the case of the near-field results and the room-level measurement shows a completely uniform degree of mixing and air quality in the occupied zone for each airflow rate. This means that there is potential for combining these two schemes for designing air distribution systems with high energy efficiency and high thermal comfort and indoor air quality. / Under senare tid har applikation av Confluent jets för design av tilluftsdon studerats. Många studier har även utförts över potentialen av att applicera variabelt luftflöde (VAV) för att minska energianvändningen i ventilationssystem. Denna studie undersöker möjligheten att kombinera Confluent jets-don med VAV, både med avseende på den lokala flödesbilden och dess påverkan på termisk komfort, luftkvalitet och energieffektivitet i en klassrumsmiljö där luftflödes varieras. Denna studie baseras dels på en experimentell fältstudie där tilluftsdon baserade på Confluents jets jämfördes med befintliga deplacerande tilluftsdon. Fältstudien utvärderade energieffektiviteten, den termiska komforten och luftkvaliteten för båda typerna av tillluftsdon. Confluent jets-donen testades under varierat luftflöde för att se påverkan av flödesvariationen på ventilationens prestation under de olika flödena. Utöver fältstudien testades Confluent jets-donen experimentellt och numeriskt i ett välisolerat test-rum för få den detaljerade flödeskarakteristiken för den här typen tilluftsdon vid varierat luftflöde. Resultaten från fältstudien visar på en jämn fördelning av den lokala luftsmedelåldern i vistelsezonen, även för fallen med relativt låga luftflöden. Luftflöden har ingen signifikant effekt på omblandningen. Den termiska komforten i klassrummet ökade när luftflödet anpassades efter värmelasten jämfört med de deplacerande donen. Slutsatsen från fältstudien är att kombinationen av VAV och Confluent jets-don kan användas för att minska energianvändningen på skolan och bevara luftkvaliteten och den termiska komforten i vistelsezonen. Resultaten från den experimental och numeriska studien visar luftflödet och lufthastigheten i varje enskild dysa är direkt beroende på det totala luftflödet genom donet. Dock är flödesfördelningen mellan dysorna oberoende av de tre olika luftflödena. Den numeriska undersökningen visar att flödesprofilen för varje dysa är konstant trots att flödet varieras, men amplituden för varje profil ökar med en höjning av luftflödet. Det betyder att tilluftsdon av den här typen kan användas med VAV för att producera Confluent jets för olika luftflöden. Resultaten från båda studierna visar att luftflöde inte påverkar fördelningen av luften vare sig längs luftdonen eller på rumsnivå. Fördelningen av luften är nästan helt jämn längs donen och på rumsnivå är omblandningen och luftkvalitet den samma för varje luftflöde. Det betyder att det finns potential för att kombinera det här två teknikerna för att designa luftdistribueringssystem med hög energieffektivitet och hög termisk komfort med god luftkvalitet.