<p>Unmanned aerial vehicles (UAVs) equipped with imaging systems and integrated global navigation satellite system/inertial navigation system (GNSS/INS) are used for a variety of applications. Disaster relief, infrastructure monitoring, precision agriculture, and ecological forestry growth monitoring are among some of the applications that utilize UAV imaging systems. For most applications, accurate 3D spatial information from the UAV imaging system is required. Deriving reliable 3D coordinates is conditioned on accurate geometric calibration. Geometric calibration entails both spatial and temporal calibration. Spatial calibration consists of obtaining accurate internal characteristics of the imaging sensor as well as estimating the mounting parameters between the imaging and the GNSS/INS units. Temporal calibration ensures that there is little to no time delay between the image timestamps and corresponding GNSS/INS position and orientation timestamps. Manual and automated spatial calibration have been successfully accomplished on a variety of platforms and sensors including UAVs equipped with frame and push-broom line cameras. However, manual and automated temporal calibration has not been demonstrated on both frame and line camera systems without the use of ground control points (GCPs). This research focuses on manual and automated spatial and temporal system calibration for UAVs equipped with GNSS/INS frame and line camera systems. For frame cameras, the research introduces two approaches (direct and indirect) to correct for time delay between GNSS/INS recorded event markers and actual time of image exposures. To ensure the best estimates of system parameters without the use of ground control points, an optimal flight configuration for system calibration while estimating time delay is rigorously derived. For line camera systems, this research presents the direct approach to estimate system calibration parameters including time delay during the bundle block adjustment. The optimal flight configuration is also rigorously derived for line camera systems and the bias impact analysis is concluded. This shows that the indirect approach is not a feasible solution for push-broom line cameras onboard UAVs due to the limited ability of line cameras to decouple system parameters and is confirmed with experimental results. Lastly, this research demonstrates that for frame and line camera systems, the direct approach can be fully-automated by incorporating structure from motion (SfM) based tie point features. Methods for feature detection and matching for frame and line camera systems are presented. This research also presents the necessary changes in the bundle adjustment with self-calibration to successfully incorporate a large amount of automatically-derived tie points. For frame cameras, the results show that the direct and indirect approach is capable of estimating and correcting this time delay. When a time delay exists and the direct or indirect approach is applied, horizontal accuracy of 1–3 times the ground sampling distance (GSD) can be achieved without the use of any ground control points (GCPs). For line camera systems, the direct results show that when a time delay exists and spatial and temporal calibration is performed, vertical and horizontal accuracy are approximately that of the ground sample distance (GSD) of the sensor. Furthermore, when a large artificial time delay is introduced for line camera systems, the direct approach still achieves accuracy less than the GSD of the system and performs 2.5-8 times better in the horizontal components and up to 18 times better in the vertical component than when temporal calibration is not performed. Lastly, the results show that automated tie points can be successfully extracted for frame and line camera systems and that those tie point features can be incorporated into a fully-automated bundle adjustment with self-calibration including time delay estimation. The results show that this fully-automated calibration accurately estimates system parameters and demonstrates absolute accuracy similar to that of manually-measured tie/checkpoints without the use of GCPs.</p>

This Master thesis tackles the problem of measuring objects’ directions from a motionless observation point. A new method based on a single rotating camera requiring the knowledge of only two (or more) landmarks’ direction is proposed. In a first phase, multi-view geometry is used to estimate camera rotations and key elements’ direction from a set of overlapping images. Then in a second phase, the direction of any object can be estimated by resectioning the camera associated to a picture showing this object. A detailed description of the algorithmic chain is given, along with test results on both synthetic data and real images taken with an infrared camera. / Detta masterarbete behandlar problemet med att mäta objekts riktningar från en fast observationspunkt. En ny metod föreslås, baserad på en enda roterande kamera som kräver endast två (eller flera) landmärkens riktningar. I en första fas används multiperspektivgeometri, för att uppskatta kamerarotationer och nyckelelements riktningar utifrån en uppsättning överlappande bilder. I en andra fas kan sedan riktningen hos vilket objekt som helst uppskattas genom att kameran, associerad till en bild visande detta objekt, omsektioneras. En detaljerad beskrivning av den algoritmiska kedjan ges, tillsammans med testresultat av både syntetisk data och verkliga bilder tagen med en infraröd kamera.

Group of specialized cells that form cardiac conduction system is responsible for generation and coordinated propagation of the electrical impulse in the heart. Changes in its development can be connected with arrhythmias; therefore, a good level of knowledge is necessary and relevant for basic science and clinical practice. For correct development of the conduction system are important genes coding gap junctions proteins, ion channels, transcription factors and other molecules involved in signaling cascades (endothelin, neuregulin). Development of conduction system is determined in addition to genetic factors also by epigenetics and environmental factors. This thesis with its individual papers on which it is based is addressing different aspects of conduction system development, which appears to be a complex process. Another feature which is linking all papers together, is the methodological approach enabling us to study function of the conduction system - optical mapping. In the first publication we studied by the means of in vitro organ culture the impact of work load without interfering hemodynamics on the conduction system maturation in the chick embryonic heart. The phenotype observed during experiments was developmental regression of conduction system maturation together with changes in...

In-situ 3-D shape measurements with submicron shape uncertainty of fast rotating objects in a cutting lathe are expected, which can be achieved by simultaneous distance and velocity measurements. Conventional tactile methods, coordinate measurement machines, only support ex-situ measurements. Optical measurement techniques such as triangulation and conoscopic holography offer only the distance, so that the absolute diameter cannot be retrieved directly. In comparison, laser Doppler distance sensors (P-LDD sensor) enable simultaneous and in-situ distance and velocity measurements for monitoring the cutting process in a lathe. In order to achieve shape measurement uncertainties below 1 µm, a P-LDD sensor with a dual camera based scattered light detection has been investigated. Coherent fiber bundles (CFB) are employed to forward the scattered light towards cameras. This enables a compact and passive sensor head in the future. Compared with a photo detector based sensor, the dual camera based sensor allows to decrease the measurement uncertainty by the order of one magnitude. As a result, the total shape uncertainty of absolute 3-D shape measurements can be reduced to about 100 nm.

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Explosionsgeschützte Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen, häufig auch als explosionsgeschützte Energieverteiler bezeichnet, werden eingesetzt, um in explosionsfähigen Atmosphären elektrische Energie sicher zu übertragen und zu verteilen. Um einen über Jahrzehnte sicheren Betrieb zu gewährleisten sind die Energieverteiler mindestens derart thermisch zu dimensionieren, dass normativ festgelegte Grenztemperaturen nicht überschritten werden. Explosionsgeschützte Energieverteiler unterscheiden sich von konventionellen Schaltgerätekombinationen. Wegen des Explosionsschutzes sind verschiedene Schalt- und Schutzgeräte zusätzlich in druckfeste Kapselungen eingebaut. Die Reihenmontage druckfest gekapselter Geräte erfolgt mit Abstand. Das Verdrahten der Geräte und Betriebsmittel erfolgt vielfach mit Leitungen mit wärmebeständiger Isolierung. Die Leitungen sind häufig in Bündeln gelegt. Die Verteilergehäuse besitzen keine Lüftungsöffnungen. Für den Explosionsschutz sind zusätzlich alle höchsten Oberflächentemperaturen maßgeblich, die mit zündfähiger Atmosphäre in Kontakt kommen können (Hotspots). Die Hotspot-Temperaturen dürfen normativ festgelegte Grenztemperaturen nicht überschreiten. Die Wärmenetzmethode ist ein etabliertes Verfahren, um die Erwärmung konventioneller Schaltgeräte und Schaltgerätekombinationen effizient zu berechnen. Die Erwärmung explosionsgeschützter Energieverteiler einschließlich der Hotspots konnte bisher nicht mit der Wärmenetzmethode berechnet werden. In dieser Arbeit werden die dominanten Wärmequellen und Wärmeübertragungsvorgänge anhand eines typischen explosionsgeschützten Energieverteilers experimentell sowie mit Hilfe numerischer Methoden (Finite-Elemente-Methode, Finite-Volumen-Methode) untersucht. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse werden Berechnungsmodelle für die Erwärmung von Leitungsbündeln und für die Geschwindigkeit umlaufender Kühlmittelströme erarbeitet und in die Wärmenetzmethode implementiert. Um die Hotspot-Temperaturen auf druckfesten Kapselungen zu berechnen sind erstmals fein aufgelöste Wärmenetze erforderlich. Es wird ein Verfahren zum strukturierten Aufbau fein aufgelöster Wärmenetze erarbeitet. Ein einfacher Ansatz zum Berechnen der Erwärmung ebener Kontakte wird in dieser Arbeit auf gewölbte Schaltkontakte erweitert, indem die erforderliche scheinbare Kontaktfläche zwischen den Kontaktgliedern erstmals aus Messungen mit Druckmessfolien bestimmt wird. Für die Betriebsmittel des explosionsgeschützten Energieverteilers werden die Wärmenetze aufgebaut, parametriert und experimentell verifiziert. Das Gesamtwärmenetz der Musteranlage wird durch das Zusammenschalten der Wärmenetze der Betriebsmittel aufgebaut und experimentell verifiziert. Die mit dem verifizierten Gesamtwärmenetz berechneten Temperaturen werden mit gemessenen Temperaturen bei 100 % Bemessungsstrom verglichen. Die Berechnung zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den gemessenen Temperaturen. Die höchsten noch verbleibenden Abweichungen zur gemessenen Übertemperatur betragen ΔΘ = +6,3 K und ΔΘ = -6,2 K. Die berechneten Orte der Heißpunkte stimmen mit der Messung überein. Die berechneten Heißpunkttemperaturen unterscheiden sich um maximal +3 K von den gemessenen Heißpunkttemperaturen. Das verifizierte Gesamtwärmenetz berechnet alle für die Erwärmungsnachweise erforderlichen Temperaturen unter den geforderten Normbedingungen. Bei der normativ geforderten Belastung von 110 % des Bemessungsstroms werden die für den Explosionsschutz maßgeblichen Heißpunkte seitlich auf den druckfesten Kapselungen zweier Schutzschalter berechnet und betragen ϑFZ2 Ob max = 101,6 °C sowie ϑFZ8 Ob max = 101,8 °C. Sowohl für die Erwärmungsnachweise als für das thermische Dimensionieren können mit dem Wärmenetz außerdem Temperaturen an Stellen berechnet werden, die experimentell nur schwer gemessen werden können (z. B. im Bündelzentrum oder im Inneren der druckfesten Kapselungen). Mit dem verifizierten Gesamtwärmenetz werden Fragestellungen zur thermischen Dimensionierung des explosionsgeschützten Energieverteilers rechnerisch beantwortet. So lässt sich u. a. ermitteln, dass der zulässige Bemessungsbelastungsfaktor abhängig von der äußeren Oberflächenbeschaffung des Verteilergehäuses zwischen RDF = 0,55 (innen lackiert, außen hochglanzpoliert) und RDF = 0,78 (innen lackiert, außen lackiert) variiert. Das verifizierte Gesamtwärmenetz ist daher ein geeignetes Werkzeug, um die thermische Dimensionierung zielgerichtet und effizient mittels Erwärmungsberechnung zu unterstützen.:1 Einleitung 1 2 Erkenntnisstand zur Erwärmung von Niederspannungs-Energieverteilern 3 2.1 Wärmequellen 3 2.2 Wärmeübertragung 9 2.3 Erwärmungsberechnung mit der Wärmenetzmethode 19 2.4 Messen von Oberflächentemperaturen 23 2.5 Grenztemperaturen – Rechtliche und normative Vorgaben 25 3 Musteranlage 34 3.1 Aufbau 34 3.2 Hauptwärmequellen 38 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 42 5 Untersuchungen zur Temperaturmessung auf druckfesten Kapselungen 45 5.1 Problemstellung 45 5.2 Analyse der Wärmeströme 46 5.3 Untersuchte Montagekonstruktionen 48 5.4 Versuchsaufbau und -durchführung 49 5.5 Ergebnisse 52 5.6 Angepasste Montagetechnik für druckfeste Kapselungen 55 6 Untersuchungen zur Erwärmung der Betriebsmittel 57 6.1 Explosionsgeschützter Fehlerstrom-Schutzschalter mit Überstromauslöser 57 6.2 Explosionsgeschützter Last- und Motorschalter 74 7 Untersuchungen zur gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Betriebsmittel 93 7.1 Erwärmung der Leitungsbündel 93 7.2 Zirkulierender Kühlmittelstrom 111 8 Modellbildung 120 8.1 Strukturierter Aufbau – Verfahren 120 8.2 Wärmenetzmodelle 121 9 Verifikation des Wärmenetzmodells der Musteranlage 133 9.1 Versuchsaufbau 133 9.2 Parameterabgleich 138 9.3 Vergleich der Temperaturen 140 10 Anwendung 150 10.1 Erwärmungsnachweise durch Berechnung 150 10.2 Thermische Dimensionierung durch Berechnung 160 11 Zusammenfassung 166 12 Ausblick 170 / Explosion-proof low-voltage switchgear and controlgear assemblies transmit and distribute electrical energy in potentially explosive atmospheres. To ensure safe operation over decades, the assemblies must be thermally dimensioned at least in such a way that normatively defined limit temperatures are not exceeded. Explosion-proof switchgear and controlgear assemblies vary from conventional switchgear assemblies. Because of the explosion protection, electrical devices are installed in flameproof enclosures. The row installation of flameproof enclosed devices is carried out with spacing between each device. The wiring of the devices is often done with cables with heat-resistant insulation. These cables are mainly laid in bundles. The explosion-proof switchgear and controlgear assemblies do not have ventilation openings for additional cooling. For explosion protection, all the highest surface temperatures (hot spots) that could come into contact with ignitable atmosphere are also relevant. The hotspot temperatures must not exceed normatively defined limit temperatures. The Thermal Network Method is an established approach for efficiently calculating the temperature-rise of conventional switchgear and controlgear assemblies. So far, the temperature-rise of explosion-proof switchgear and controlgear assemblies including hot spots could not be calculated with the Thermal Network Method. In this work, the dominant heat sources and heat transfer processes are investigated for of a typical explosion-proof switchgear assembly. Investigation is carried out experimentally as well as by means of numerical methods (Finite Element Method, Finite Volume Method). Based on the results of the investigation, calculation models for the heating of cable bundles and for the velocity of circulating coolant flows are developed and implemented in the Thermal Network Method. In order to calculate hot spot temperatures on flameproof enclosures, finely resolved thermal networks are required for the first time. A method for the design of finely resolved thermal networks is developed. A simple approach for the calculation of the heating of planar contacts is extended in this work to convex switching contacts by determining the apparent contact area from measurements with pressure sensing sheets. Thermal networks for the electrical equipment are set up, parameterized and verified experimentally. The overall thermal network is set-up by interconnecting thermal networks of the operating equipment and verified experimentally. The temperatures calculated with the verified overall thermal network were compared with measured temperatures at 100 % rated current. The temperatures deviate slightly. The highest remaining deviations are ΔΘ = +6.3 K and ΔΘ = -6.2 K. The calculated locations of the hot spots agree with measurement. The calculated hot spot temperatures differ from measured hot spot temperatures slightly by a maximum of +3 K. At the normatively required load of 110 % of the rated current, the hot spots are calculated laterally on the flameproof enclosures of two circuit breakers (ϑFZ2 Ob max = 101.6 °C, ϑFZ8 Ob max = 101.8 °C). The verified overall thermal network calculates all temperatures required for temperature-rise tests of the investigated explosion-proof switchgear assembly. Furthermore, the thermal network can be used to calculate temperatures at locations that are difficult to measure (e.g., at the center of cable bundles or inside the flameproof enclosures). With the verified overall thermal network, questions concerning the thermal dimensioning of the explosion-proof switchgear assembly can be answered computationally. Among other things, it can be determined that the permissible rated diversity factor varies between RDF = 0.55 (internally painted, externally highly polished) and RDF = 0.78 (internally painted, externally painted) depending on the external surface finish of the distributor enclosure. The verified overall thermal network is a suitable tool for supporting thermal dimensioning computationally in a targeted and efficient manner.:1 Einleitung 1 2 Erkenntnisstand zur Erwärmung von Niederspannungs-Energieverteilern 3 2.1 Wärmequellen 3 2.2 Wärmeübertragung 9 2.3 Erwärmungsberechnung mit der Wärmenetzmethode 19 2.4 Messen von Oberflächentemperaturen 23 2.5 Grenztemperaturen – Rechtliche und normative Vorgaben 25 3 Musteranlage 34 3.1 Aufbau 34 3.2 Hauptwärmequellen 38 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 42 5 Untersuchungen zur Temperaturmessung auf druckfesten Kapselungen 45 5.1 Problemstellung 45 5.2 Analyse der Wärmeströme 46 5.3 Untersuchte Montagekonstruktionen 48 5.4 Versuchsaufbau und -durchführung 49 5.5 Ergebnisse 52 5.6 Angepasste Montagetechnik für druckfeste Kapselungen 55 6 Untersuchungen zur Erwärmung der Betriebsmittel 57 6.1 Explosionsgeschützter Fehlerstrom-Schutzschalter mit Überstromauslöser 57 6.2 Explosionsgeschützter Last- und Motorschalter 74 7 Untersuchungen zur gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Betriebsmittel 93 7.1 Erwärmung der Leitungsbündel 93 7.2 Zirkulierender Kühlmittelstrom 111 8 Modellbildung 120 8.1 Strukturierter Aufbau – Verfahren 120 8.2 Wärmenetzmodelle 121 9 Verifikation des Wärmenetzmodells der Musteranlage 133 9.1 Versuchsaufbau 133 9.2 Parameterabgleich 138 9.3 Vergleich der Temperaturen 140 10 Anwendung 150 10.1 Erwärmungsnachweise durch Berechnung 150 10.2 Thermische Dimensionierung durch Berechnung 160 11 Zusammenfassung 166 12 Ausblick 170

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Simultaneous localization and mapping (SLAM) is a general device localization technique that uses realtime sensor measurements to develop a virtualization of the sensor's environment while also using this growing virtualization to determine the position and orientation of the sensor. This is useful for augmented reality (AR), in which a user looks through a head-mounted display (HMD) or viewfinder to see virtual components integrated into the real world. Visual SLAM (i.e., SLAM in which the sensor is an optical camera) is used in AR to determine the exact device/headset movement so that the virtual components can be accurately redrawn to the screen, matching the perceived motion of the world around the user as the user moves the device/headset. However, many potential AR applications may need access to more than device localization data in order to be useful; they may need to leverage environment data as well. Additionally, most SLAM solutions make the naive assumption that the environment surrounding the system is completely static (non-moving). Given these circumstances, it is clear that AR may benefit substantially from utilizing a SLAM solution that detects objects that move in the scene and ultimately provides localization data for each of these objects. This problem is known as the dynamic SLAM problem. Current attempts to address the dynamic SLAM problem often use machine learning to develop models that identify the parts of the camera image that belong to one of many classes of potentially-moving objects. The limitation with these approaches is that it is impractical to train models to identify every possible object that moves; additionally, some potentially-moving objects may be static in the scene, which these approaches often do not account for. Some other attempts to address the dynamic SLAM problem also localize the moving objects they detect, but these systems almost always rely on depth sensors or stereo camera configurations, which have significant limitations in real-world use cases. This dissertation presents a novel approach for registering and localizing unknown moving objects in the context of markerless, monocular, keyframe-based SLAM with no required prior information about object structure, appearance, or existence. This work also details a novel deep learning solution for determining SLAM map initialization suitability in structure-from-motion-based initialization approaches. This dissertation goes on to validate these approaches by implementing them in a markerless, monocular SLAM system called LUMO-SLAM, which is built from the ground up to demonstrate this approach to unknown moving object registration and localization. Results are collected for the LUMO-SLAM system, which address the accuracy of its camera localization estimates, the accuracy of its moving object localization estimates, and the consistency with which it registers moving objects in the scene. These results show that this solution to the dynamic SLAM problem, though it does not act as a practical solution for all use cases, has an ability to accurately register and localize unknown moving objects in such a way that makes it useful for some applications of AR without thwarting the system's ability to also perform accurate camera localization.

This thesis covers the topic of depth- assisted Structure from Motion (SfM). When performing classic SfM, the goal is to reconstruct a 3D scene using only a set of unstructured RGB images. What is attempted to be achieved in this thesis is adding the depth dimension to the problem formulation, and consequently create a system that can receive a set of RGBD images. The problem has been addressed by modifying an already existing SfM pipeline and in particular, its Bundle Adjustment (BA) process. Comparisons between the modified framework and the baseline framework resulted in conclusions regarding the impact of the modifications. The results show mainly two things. First of all, the accuracy of the framework is increased in most situations. The difference is the most significant when the captured scene only is covered from a small sector. However, noisy data can cause the modified pipeline to decrease in performance. Secondly, the run time of the framework is significantly reduced. A discussion of how to modify other parts of the pipeline is covered in the conclusion of the report. / Följande examensarbete behandlar ämnet djupassisterad Struktur genom Rörelse (eng. SfM). Vid klassisk SfM är målet att återskapa en 3D scen, endast med hjälp av en sekvens av oordnade RGB bilder. I djupassiterad SfM adderas djupinformationen till problemformulering och följaktligen har ett system som kan motta RGBD bilder skapats. Problemet har lösts genom att modifiera en befintlig SfM- mjukvara och mer specifikt dess Buntjustering (eng. BA). Resultatet från den modifierade mjukvaran jämförs med resultatet av originalutgåvan för att dra slutsatser rådande modifikationens påverkan på prestandan. Resultaten visar huvudsakligen två saker. Först och främst, den modifierade mjukvaran producerar resultat med högre noggrannhet i de allra flesta fall. Skillnaden är som allra störst när bilderna är tagna från endast en liten sektor som omringar scenen. Data med brus kan dock försämra systemets prestanda aningen jämfört med orginalsystemet. För det andra, så minskar exekutionstiden betydligt. Slutligen diskuteras hur mjukvaran kan vidareutvecklas för att ytterligare förbättra resultaten.

Gas-liquid two-phase flows are encountered in different industrial applications such as, chemical reactors, wastewater treatment, oil and gas exploration and nuclear reactors. In nuclear reactors, boiling two-phase flows occur under both normal and accident conditions. For the design and safety operation of nuclear reactors, Computational Fluid Dynamics (CFD) based on the Euler−Euler framework has become a popular tool. However, accurate CFD prediction for a fuel assembly geometry is still a challenge. The reason is that the accuracy of two-phase flow simulations is highly dependent on adequate modelling of phase interactions including interfacial forces (i.e. drag, lift, wall lubrication, turbulent dispersion and virtual mass), bubble-induced turbulence (BIT) and bubble breakup/coalescence. Through the Euler−Euler framework, modelling of these phase interactions is provided by different approaches. These approaches include closure equations, most of which have been determined empirically. These closures are important for the accurate prediction of mean flow profiles, including void fraction and phase velocity distributions. A variety of closure models has been proposed by different researchers. However, it is difficult to differentiate them and make an appropriate choice for a particular problem without knowing their predictive properties in detail. While an extensive number of models have been developed and have meanwhile been well validated for simple pipe and column geometries, there is yet limited analysis and qualification for more complex three-dimensional flow domains. One reason for this is the lack of suitable experimental validation data. In addition, it is important to mention that most of the available models were generally obtained considering laminar or low turbulence conditions. Therefore, it is necessary to further investigate the modelling capabilities for two-phase flows with flow complexity/high turbulence as they occur in nuclear reactors. For this purpose, additional validations are required in the CFD modelling of two-phase flows. However, studies on the capabilities of two-phase flow models directly for rod bundles are very complicated and time-consuming. Hence, a capability analysis of the models for the three main phenomena, i.e. breakup/coalescence, drag and turbulence, was first carried out for the case of a semi-obstructed pipe under adiabatic flow conditions. The results were validated using the experimental data obtained by Neumann-Kipping (2022) on the void fraction, mean bubble diameter, bubble size distribution, liquid velocity and gas velocity for two different turbulence conditions. Subsequently, experiments were conducted in a 3 x 3 rod bundle with a spacer and vanes using X-ray computed tomography (CT), which provides high quality void data without disturbing the flow. The effects of different mass and heat fluxes on the void fraction and its distribution downstream of the spacer were analyzed. In addition, the effects of different vane angles on the distribution of the void fraction were discussed. Furthermore, an experimental database was obtained in a rod bundle with a spacer under different flow conditions to validate the numerical modelling. Finally, the improved CFD model obtained from the semi-obstructed pipe geometry was applied to the 3 x 3 rod bundle geometry under two different turbulence conditions. The numerical results were compared with the X-ray CT data on the void fraction. / Gas-Flüssig-Zweiphasenströmungen kommen in verschiedenen industriellen Anwendungen wie Blasensäulen, Rührkesseln und Kernreaktoren vor. In Kernreaktoren treten siedende Zweiphasenströmungen sowohl unter Normal- als auch unter Störfallbedingungen auf. Für die Auslegung und den sicheren Betrieb von Kernreaktoren ist die numerische Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) auf der Grundlage des Euler−Euler-Konzepts zu einem wichtigen Instrument geworden. Eine genaue CFD-Vorhersage für eine Brennelementgeometrie ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung. Der Grund dafür ist, dass die Genauigkeit von Zweiphasenströmungssimulationen in hohem Maße von einer genauen Modellierung der Phasenwechselwirkungen abhängt, einschließlich der Grenzflächenkräfte (d. h. Widerstand, Lift, Wand, turbulente Dispersion und virtuelle Masse), der blaseninduzierten Turbulenz (BIT) und des Aufbrechens/Koaleszierens von Blasen. Durch den Euler−Euler-Rahmen wird die Modellierung dieser Phasenwechselwirkungen durch verschiedene Ansätze ermöglicht. Zu diesen Ansätzen gehören Schließungsgleichungen, von denen die meisten empirisch ermittelt wurden. Diese Schließungsgleichungen sind wichtig für die genaue Vorhersage von mittleren Strömungsprofilen, einschließlich Gasgehalt und Phasengeschwindigkeitsverteilungen. Es gibt eine Vielzahl von Schließungsmodellen, die von verschiedenen Forschern innerhalb ihrer experimentellen Bereiche vorgeschlagen wurden. Es ist jedoch schwierig, sie zu unterscheiden und eine geeignete Wahl für ein bestimmtes Problem zu treffen, ohne ihre Vorhersageeigenschaften im Detail zu kennen. Während für einfache Rohr- und Säulengeometrien eine große Anzahl von Modellen entwickelt und inzwischen gut validiert wurde, gibt es für komplexere dreidimensionale Strömungsgebiete noch wenig Analyse und Qualifizierung. Ein Grund dafür ist der Mangel an geeigneten experimentellen Validierungsdaten. Darüber hinaus ist es wichtig zu erwähnen, dass die meisten der verfügbaren Modelle im Allgemeinen unter laminaren oder geringen Turbulenzbedingungen erstellt wurden. Daher ist es notwendig, die Modellierungsmöglichkeiten für Zweiphasenströmungen mit komplexer Strömung/hoher Turbulenz, wie sie in Kernreaktoren auftreten, weiter zu untersuchen. Zu diesem Zweck sind zusätzliche Validierungen bei der CFD-Modellierung von Zweiphasenströmungen erforderlich. Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von Zweiphasenströmungsmodellen direkt für Stabbündel sind jedoch sehr kompliziert und zeitaufwändig. Daher wurde zunächst eine Fähigkeitsanalyse der Modelle für die drei Hauptphänomene, d. h. Aufbrechen/Koaleszenz, Widerstand und Turbulenz, für den Fall eines halbgeschlossenen Rohrs unter adiabatischen Strömungsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden anhand der von Neumann-Kipping (2022) gewonnenen experimentellen Daten über den Gasgehalt, den mittleren Blasendurchmesser, die Blasengrößenverteilung, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit und die Gasgeschwindigkeit für zwei verschiedene Turbulenzbedingungen validiert. Anschließend wurden Experimente in einem 3 x 3-Stabbündel mit einem Abstandshalter und Fahnen unter Verwendung der Röntgen-Computertomographie (CT) durchgeführt, die qualitativ hochwertige Gasgehaltdaten liefert, ohne die Strömung zu stören. Die Auswirkungen unterschiedlicher Massen- und Wärmeströme auf den Gasgehalt und seine Verteilung stromabwärts des Abstandshalters wurden analysiert. Außerdem wurden die Auswirkungen verschiedener Fahnenwinkel auf die Verteilung des Gasgehaltes diskutiert. Darüber hinaus wurde eine experimentelle Datenbasis in einem Stabbündel mit einem Abstandshalter unter verschiedenen Strömungsbedingungen gewonnen, um die numerische Modellierung zu validieren. Schließlich wurde das verbesserte CFD-Modell, das aus der halbgeschlossenen Rohrgeometrie gewonnen wurde, auf die 3 x 3 Stabbündelgeometrie bei zwei verschiedenen Turbulenzbedingungen angewendet. Die numerischen Ergebnisse wurden mit den Röntgen-CT-Daten für den Gasgehalt verglichen.

Helical tube bundles are usually used in the steam generator (SG) of High-Temperature Gas-Cooled Reactors (HTGRs) as the heat transfer area. The helical tube bundle is composed of multiple-layer helically coiled tubes, which are fixed by multiple sets of supporting structures. There are ideal flow paths separated by different layers of helical tubes. The velocity non-uniformity for different flow paths will affect the heat transfer tube temperature and the outlet steam temperature uniformity of different tube layers. In the shell side of the SG, turbulent cross flow over helical tube bundles are complicated and difficult to predict due to reverse pressure gradient and boundary layer separation. Due to the huge amount of computation resources consumption, there are few numerical simulation studies on the non-uniformity of cross flow over large-volume helical tube bundles.Two cases, namely the flow past a circular cylinder and cross flow over in-line tube bundles, are simulated to validate if Partially-Averaged Navier-Stokes (PANS) model is suitable for simulations of cross flow over helical tube bundles. The simulation results of k-ω SST PANS model are well agree with the average and local experimental data. Therefore, k-ω SST PANS model is used to investigate the influences of the supporting structure and helical diameter on the non-uniformity of cross flow over ideal helical tube bundles. The helix angle of helical tube bundle is neglected. The computational domain consists of 5 rows of helically coiled tubes in the streamwise direction. Periodic boundary conditions are used for the inlet and outlet to reduce the consumption of computing resources.For cross flow over helical tube bundles, there exists significant circumferential and radial velocities, which means there are secondary flows in the plane perpendicular to the streamwise direction. The radial velocity is about 16% of the streamwise velocity. Due to the presence of secondary flow, cross flow over individual tube is inclined, and the inclination direction changes at different circumferential positions. At the same circumferential position, the flow inclination direction is the same along the streamwise direction and radial direction. For helical tube bundles, the ratio of the blocking area to the flow area (blocking area ratio) of the inner, outer and middle flow paths are different. The blocking area ratio of the inner flow path is large, and the blocking area ratio of the outer flow path is small, resulting in non-uniform velocity distribution in different flow paths.Cross flow over helical tube bundles with three helical diameters (inner wall radius Ri is 0.02 m, 0.14 m and 0.26 m, respectively) are simulated. For small helical diameter tube bundle (Ri = 0.02 m), the maximum streamwise velocity non-uniformity is 16.6%. For tube bundles with middle and large helical diameters (Ri = 0.14 m and 0.26 m), the maximum streamwise velocity non-uniformity is 6.7% and 5.8%, respectively. The results show that the flow non-uniformity becomes more obvious for small helical diameter.The supporting structures results in more complex secondary flows. The secondary flows far from the supporting structures are larger than those in the region near the supporting structures. The supporting structures causes the blocking area ratio of inner, outer and middle flow paths vary with the helical diameter, and the blocking area ratio non-uniformity is larger than that without supporting structures. In the presence of supporting structures, the maximum streamwise velocity non-uniformities of small, middle and large helical diameter tube bundles are 22.0%, 8.8% and 6.3%, respectively. The effect of supporting structures on the flow non-uniformity increases as the helical diameter decreases. / Spiralformade rörknippen används vanligtvis i ånggeneratorn (SG) i gaskylda högtemperaturreaktorer (HTGR) som värmeöverföringsområde. Det spiralformade rörknippet består av flerskikts spiralformade rör, som är fixerade av flera uppsättningar stödkonstruktioner. Det finns idealiska flödesvägar åtskilda av olika lager av spiralformade rör. Hastighetsojämnheten för olika flödesvägar kommer att påverka värmeöverföringsrörets temperatur och utloppsångans temperaturlikformighet för olika rörskikt. På skalsidan av SG är turbulent tvärflöde över spiralformade rörknippen komplicerade och svåra att förutsäga på grund av omvänd tryckgradient och gränsskiktsseparation. På grund av den enorma förbrukningen av beräkningsresurser finns det få numeriska simuleringsstudier om ojämnheten i tvärflödet över spiralformade rörknippen med stora volymer.Två fall, nämligen flödet förbi en cirkulär cylinder och korsflödet över in-line rörknippen, simuleras för att validera om PANS-modellen (Partially-Averaged Navier-Stokes) är lämplig för simuleringar av tvärflöde över spiralformade rörknippen. Simuleringsresultaten för k-ω SST PANS-modellen stämmer väl överens med genomsnittliga och lokala experimentella data. Därför används k-ω SST PANS-modellen för att undersöka påverkan av stödstrukturen och spiraldiametern på ojämnheten i tvärflödet över ideala spiralformade rörknippen. Helixvinkeln för spiralformad rörbunt försummas. Beräkningsdomänen består av 5 rader spiralformade rör i strömriktningen. Periodiska randvillkor används för inlopp och utlopp för att minska förbrukningen av datorresurser.För tvärflöde över spiralformade rörknippen finns det signifikanta perifera och radiella hastigheter, vilket innebär att det finns sekundära flöden i planet vinkelrätt mot strömriktningen. Den radiella hastigheten är cirka 16 % av den strömvisa hastigheten. På grund av närvaron av sekundärt flöde lutar tvärflödet över enskilda rör och lutningsriktningen ändras vid olika omkretspositioner. Vid samma perifera position är flödesinklinationsriktningen densamma längs strömriktningen och radiell riktning. För spiralformade rörknippen är förhållandet mellan blockeringsarean och flödesarean (blockeringsareaförhållandet) för de inre, yttre och mellersta flödesvägarna olika. Blockeringsareaförhållandet för den inre flödesvägen är stort och blockeringsareaförhållandet för den yttre flödesvägen är litet, vilket resulterar i ojämn hastighetsfördelning i olika flödesvägar.Tvärflöde över spiralformade rörknippen med tre spiralformade diametrar (innerväggsradien Ri är 0,02 m, 0,14 m respektive 0,26 m) simuleras. För rörknippe med liten spiraldiameter (Ri = 0,02 m) är den maximala strömhastighetsolikformigheten 16,6 %. För rörknippen med mellersta och stora spiralformade diametrar (Ri = 0,14 m och 0,26 m) är den maximala strömhastighetsolikformigheten 6,7 % respektive 5,8 %. Resultaten visar att flödesojämnheten blir mer uppenbar för små spiralformade diametrar.De bärande strukturerna resulterar i mer komplexa sekundärflöden. Sekundärflödena långt från stödkonstruktionerna är större än de i området nära stödkonstruktionerna. De bärande strukturerna gör att blockeringsareaförhållandet för inre, yttre och mellersta flödesvägar varierar med den spiralformade diametern, och blockeringsareaförhållandets ojämnhet är större än utan stödkonstruktioner. I närvaro av stödkonstruktioner är de maximala strömhastighetsojämnheterna för små, mellersta och stora spiralformade rörknippen 22,0 %, 8,8 % respektive 6,3 %. Effekten av stödkonstruktioner på flödesojämnheten ökar när den spiralformade diametern minskar.