Choosing correct boundary conditions, flow field characteristics and employing right thermal fluid properties can affect the simulation of convection heat transfer using nanofluids. Nanofluids have shown higher heat transfer performance in comparison with conventional heat transfer fluids. The suspension of the nanoparticles in nanofluids creates a larger interaction surface to the volume ratio. Therefore, they can be distributed uniformly to bring about the most effective enhancement of heat transfer without causing a considerable pressure drop. These advantages introduce nanofluids as a desirable heat transfer fluid in the cooling and heating industries. The thermal effects of nanofluids in both forced and free convection flows have interested researchers to a great extent in the last decade. Investigating the interaction mechanisms happening between nanoparticles and base fluid is the main goal of the study. These mechanisms can be explained via different approaches through some theoretical and numerical methods. Two common approaches regarding particle-fluid interactions are Eulerian-Eulerian and Eulerian-Lagrangian. The dominant conceptions in each of them are slip velocity and interaction forces respectively. The mixture multiphase model as part of the Eulerian-Eulerian approach deals with slip mechanisms and somehow mass diffusion from the nanoparticle phase to the fluid phase. The slip velocity can be induced by a pressure gradient, buoyancy, virtual mass, attraction and repulsion between particles. Some of the diffusion processes can be caused by the gradient of temperature and concentration. The discrete phase model (DPM) is a part of the Eulerian-Lagrangian approach. The interactions between solid and liquid phase were presented as forces such as drag, pressure gradient force, virtual mass force, gravity, electrostatic forces, thermophoretic and Brownian forces. The energy transfer from particle to continuous phase can be introduced through both convective and conduction terms on the surface of the particles. A study of both approaches was conducted in the case of laminar and turbulent forced convections as well as cavity flow natural convection. The cases included horizontal and vertical pipes and a rectangular cavity. An experimental study was conducted for cavity flow to be compared with the simulation results. The results of the forced convections were evaluated with data from literature. Alumina and zinc oxide nanoparticles with different sizes were used in cavity experiments and the same for simulations. All the equations, slip mechanisms and forces were implemented in ANSYS-Fluent through some user-defined functions. The comparison showed good agreement between experiments and numerical results. Nusselt number and pressure drops were the heat transfer and flow features of nanofluid and were found in the ranges of the accuracy of experimental measurements. The findings of the two approaches were somehow different, especially regarding the concentration distribution. The mixture model provided more uniform distribution in the domain than the DPM. Due to the Lagrangian frame of the DPM, the simulation time of this model was much longer. The method proposed in this research could also be a useful tool for other areas of particulate systems. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2016. / Mechanical and Aeronautical Engineering / PhD / Unrestricted

This thesis presents the architecture and implementation of a query system resulted from a domain-specific conceptual data modeling and querying methodology. The query system is built for a high level conceptual query language that supports dynamically user-defined domain-specific functions and application-specific functions. It is DBMS-independent and can be translated to SQL and OQL through a normal form. Currently, it has been implemented in neuroscience domain and can be applied to any other domain.

One of the primary objectives of voice research is to better understand the biomechanics of voice production and how changes in properties of the vocal folds (VFs) affect voice ability and quality. Synthetic VF models provide a way to observe how changes in geometry and material property affect voice biomechanics. This thesis seeks to evaluate an approach of using a genetic algorithm to design synthetic VF models in three ways: first, through the development of a computationally cost-effective 3D vocal fold model; second, by creating and optimizing a variation of this model; and third, by validating the approach. To reduce computation times, a user-defined function (UDF) was implemented in low-fidelity 2D and 3D computational VF models. The UDF replaced the conventional meshed fluid domain with the mechanical energy equation. The UDF was implemented in the commercial finite element code ADINA and verified to produce results that were similar to those of 2D and 3D VF models with meshed fluid domains. Computation times were reduced by 86% for 2D VF models and 74% for 3D VF models while core vibratory characteristic changes were less than 5%. The results from using the UDF demonstrate that computation times could be reduced while still producing acceptable results. A genetic algorithm optimizer was developed to study the effects of altering geometry and material elasticity on frequency, closed quotient (CQ), and maximum flow declination rate (MFDR). The objective was to achieve frequency and CQ values within the normal human physiological range while maximizing MFDR. The resulting models enabled an exploration of trends between objective and design variables. Significant trends and aspects of model variability are discussed. The results demonstrate the benefit of using a structured model exploration method to create models with desirable characteristics. Two synthetic VF models were fabricated to validate predictions made by models produced by the genetic algorithm. Fabricated models were subjected to tests where frequency, CQ, and sound pressure level were measured. Trends between computational and synthetic VF model responses are discussed. The results show that predicted frequency trends between computational and synthetic models were similar, trends for closed quotient were inconclusive, and relationships between MFDR and sound pressure level remained consistent. Overall, while discrepancies between computational and synthetic VF model results were observed and areas in need of further study are noted, the study results provide evidence of potential for using the present optimization method to design synthetic VF models.

The presented diploma thesis focuses on flow-induced vibrations of a tube. The main aim and benefit is the analysis of tube stiffness in contact with the other one and the following use of obtained values and characteristics in CFD simulations. The work can be divided into three parts. The first part is about the current state of knowledge of flow-induced vibrations. It introduces the basic mechanisms of vibration and methods for their suppression. The second part deals with the determination of stiffness of defined geometry tube including the collision with the other tube. The final part demonstrates and evaluates the application of obtained characteristics in CFD simulations.

Předkládaná práce je zaměřena na numerické modelování spalování tuhých paliv na roštu metodami výpočtové dynamiky tekutin (CFD). Jelikož výsledky CFD simulací roštového spalování závisí na kvalitě vstupních dat, která zahrnují i údaje o teplotě, hmotnostním toku a chemickém složení spalin vystupujících z lože, pozornost je věnována především procesům, probíhajícím v loži během spalování na roštu. Velká část práce je věnována vývoji spolehlivého modelu spalování v sypaných ložích, jelikož může napomoci zkvalitnit výsledky simulací i rozšířit znalosti principů spalování tuhých paliv v sypaných ložích. V rámci práce byl vyvinut jednorozměrný nestacionární model spalování v experimentálním reaktoru a implementován do počítačového programu GRATECAL 1.3 včetně grafického uživatelského rozhraní. Zvláštní důraz byl kladen na konzervativnost modelu. Proto byla vyvinuta metoda pro kontrolu hmotnostní a energetické bilance systému a následně aplikována v řadě studií, v rámci nichž byly odhaleny některé chyby týkající se definic zdrojových členů, které byly převzaty z literatury a opraveny. Pomocí modelu byla provedena analýza šíření čela sušení a reakce hoření koksu po výšce lože pšeničné slámy. Na základě výsledků těchto analýz bylo doporučeno zahrnout i modelování změny porozity částic paliva, aby šířka reakční zóny byla predikována korektně v případě, že je uvažována změna porozity celého lože. Rovněž vyvinutá bilanční metoda byla použita k analýze vlivu kritérií konvergence na hmotnostní a energetickou nerovnováhu simulovaného systému. Bylo zjištěno, že škálovaná rezidua rovnic všech veličin by měla poklesnout aspoň na hodnotu $10^{-6}$, aby bylo dosaženo nízké hmotnostní a energetické nerovnováhy a tudíž uspokojivě přesných výsledků ze simulací v loži. Druhá část práce je věnována vývoji a implementaci knihovny uživatelem definovaných funkcí pro komerční CFD nástroj ANSYS FLUENT, které slouží k propojení modelu lože s modelem komory reálné spalovací jednotky, aby byla umožněna dynamická změna okrajových podmínek na vstupu do komory v závislosti na výstupech ze simulací v loži. Vytvořené rozhraní pro propojení těchto dvou modelů je dostatečně obecné pro aplikaci na širokou škálu modelů roštových kotlů. Popsané výsledky přispívají k lepšímu porozumění numerickému modelování spalování na roštu, a to zejména ve fázi sestavování numerického modelu a nastavení parametrů řešiče pro kontrolu konvergence.

Práce komplexně popisuje vodní a vodovzdušné chlazení pomocí metod CFD (Computational Fluid Dynamics) konkrétně s využitím software ANSYS FLUENT. Skládá se ze dvou hlavních částí, z nichž první se zabývá numerickým popisem jediné vodní kapky a druhá popisem směsí kapek představující paprsek válcové a ploché trysky. Je založena převážně na vícefázových modelech proudění a vlastních uživatelsky definovaných funkcí (User Defined Functions, UDF) představujících stěžejní část práce. Uvedené výpočtové modely jsou ve většině případů verifikovány pomocí experimentálních dat nebo jiných numerických modelů. V první části práce jsou teoreticky postupně rozebrány všechny tři použité vícefázové modely proudění. První z nich, Volume Of Fluid model (VOF), byl použit pro modelování jediné kapky (mikromodel). Zatímco zbývající dva, Euler-Euler model a Euler-Lagrange model, byly aplikovány v modelu celého paprsku trysky (makromodel). Mikromodel popisuje dynamiku volného pádu vodní kapky. Pro malé průměry kapek (~100µm) standardní model povrchového napětí (Continuum Surface Force, CSF) způsoboval tzv. parazitní proudy. Z toho důvodu je v práci rozebrána problematika výpočtu normál, křivostí volných povrchů a povrchového napětí jako zdroje objemových sil v pohybových rovnicích. Makromodel se zabývá studiem dynamiky celého paprsku tj. oblastí od ústí trysky po dopad na horký povrch, bere v úvahu kompletní geometrii, tzn. např. podpůrné válečky, bramu, spodní část krystalizátoru apod. V práci je rozebrána 2D simulace dopadu paprsku válcové trysky pomocí VOF modelu Euler-Lagrange modelu na horký povrch. Pro případ s VOF modelem byl navržen model blánového varu. Euler-Euler model a Euler-Lagrange model byly využity pro simulaci paprsku ploché trysky horizontálně ostřikující horkou bramu přímo pod krystalizátorem nad první řadou válečků. Pro Euler-Euler model byl navržen model sekundárního rozpadu paprsku založený na teorii nejstabilnější vlnové délky (Blob jet model). Jelikož diskrétní Lagrangeovy částice tvořily v určitých místech spíše kontinuální fázi, byl navržen a otestován model pro konverzi těchto částic do VOF.