In this thesis, a parametric methodology is investigated to design a Pump-Turbine system using Computational Fluid Dynamics ( CFD ). The parts of Pump-Turbine are created parametrically according to the experience curves and theoretical design methods. Then, these parts are modified to obtain 500 kW turbine working as a pump with 28.15 meters head. The final design of Pump-Turbine parts are obtained by adjusting parameters according to the results of the CFD simulations. The designed parts of the Pump-Turbine are spiral case, stay vanes, guide vanes, runner and draft tube. These parts are designed to obtain not only turbine mode properties but also pump mode properties.

<p>Nuclear reactors release small amounts of radioactivity during their normal operations. The most common method of calculating the dose to the public that results from such releases uses Gaussian Plume models. We are investigating these methods using CAP88-PC, a computer code developed for the Environmental Protection Agency (EPA) in the USA that calculates the concentration of radionuclides released from a stack using Pasquill stability classification. A buoyant or momentum driven part is also included. The uptake of the released radionuclide by plants, animals and humans, directly and indirectly, is then calculated to obtain the doses to the public. This method is well established but is known to suffer from many approximations and does not give answers that are accurate to be better than 50% in many cases. More accurate, though much more computer-intensive methods have been developed to calculate the movement of gases&nbsp / using fluid dynamic models. Such a model, using the code FLUENT can model complex terrains and will also be investigated in this work. This work is a preliminary study to compare the results of the traditional Gaussian plume model and a fluid dynamic model for a simplified case. The results indicate that Computational Fluid Dynamics calculations give qualitatively similar results with the possibility of including much more effects than the simple Gaussian plume model.</p>

The research focus of this thesis is on modelling techniques for river kinetic turbines, to develop predictive numerical tools to further the design of this emerging hydro technology. The performance benefits of enclosing the turbine in a shroud are quantified numerically and an optimized shroud design is developed. The optimum performing model is then used to study river kinetic turbines, including different anchoring systems to enhance performance. Two different turbine numerical models are studied to simulate the rotor. Four different computational fluid dynamics (CFD) turbulence models are compared against a series of particle image velocimetry (PIV) experiments involving highly-separated diffuser-flow and nozzle-flow conditions. The risk of cavitation is briefly discussed as well as riverbed boundary layer losses. This study is part of an effort to develop this emerging technology for distributed power generation in provinces like Manitoba that have a river system well adapted for this technology.

The research focus of this thesis is on modelling techniques for river kinetic turbines, to develop predictive numerical tools to further the design of this emerging hydro technology. The performance benefits of enclosing the turbine in a shroud are quantified numerically and an optimized shroud design is developed. The optimum performing model is then used to study river kinetic turbines, including different anchoring systems to enhance performance. Two different turbine numerical models are studied to simulate the rotor. Four different computational fluid dynamics (CFD) turbulence models are compared against a series of particle image velocimetry (PIV) experiments involving highly-separated diffuser-flow and nozzle-flow conditions. The risk of cavitation is briefly discussed as well as riverbed boundary layer losses. This study is part of an effort to develop this emerging technology for distributed power generation in provinces like Manitoba that have a river system well adapted for this technology.

During the impinging heat transfer, a jet of working fluid, either gas or liquid, will besprayed onto the heat transfer surface. Due to the high turbulence of the fluid, the heat transfer coefficient between the wall and the fluid will be largely enhanced. Previously, an impinging type solar receiver with a cylindrical cavity absorber was designed for solar dish system. However, non-uniform temperature distribution in the circumferential direction was found on absorber surface from the numerical model, which will greatly limit receiver's working temperature and finally affect receiver's efficiency. One of the possible alternatives to solve the problem is through modifying the roughness of the target wall surface. This thesis work aims to evaluate the possibility and is focusing on the study of heat transfer characteristics. The simulation results will be used for future experimental impinging solar receiver optimization work. Computational Fluid Dynamics (CFD) is used to model the conjugate heat transfer phenomenon of atypical air impinging system. The simulation is divided into two parts. The first simulation was conducted with one rib arranged on the target surface where heat transfer coefficient is relatively low to demonstrate the effects of rib shape (triangular,rectangular, and semi-circular) and rib height (2.5mm, 1.5mm, and 0.5mm). The circular rib with 1.5mm height is proved to be most effective among all to acquirerelatively uniform temperature distribution. In the second part, the amount of ribs is taken into consideration in order to reach more uniform surface heat flux. The target wall thickness is also varied to assess its influence.

A theoretical study on the hydrodynamics of mixing processes in stirred tanks is described. The primary objective of this study is to investigate flow field and power consumption generated by the six blades Rushton turbine impeller in baffled, flat-bottom cylindrical tank both at laminar and turbulent flow regime both qualitatively and quantitatively. Experimental techniques are expensive and time consuming in characterizing mixing processes. For these reasons, computational fluid dynamics (CFD) has been considered as an alternative method. In this study, the velocity field and power requirement are obtained using FASTEST, which is a CFD package. It employs a fully conservative second order finite volume method for the solution of Navier-Stokes equations. The inherently time-dependent geometry of stirred vessel is simulated by a multiple frame of reference approach. The flow field obtained numerically agrees well with those published experimental measurements. It is shown that Rushton turbine impeller creates predominantly radial jet flow pattern and produces two main recirculation flows one above and the other below the impeller plane. Throughout the tank impeller plane dimensionless radial velocity is not affected significantly by the increasing impeller speed and almost decreases linearly with increase in radial distance. Effect of the baffling on the radial and tangential velocities is also investigated. It is seen that tangential velocity is larger than radial velocity at the same radial position in unbaffled system. An overall impeller performance characteristic like power number is also found to be in agreement with the published experimental data. Also power number is mainly affected by the baffle length and increase with increase in baffle length. It is concluded that multiple frame of reference approach is suitable for the prediction of flow pattern and power number in stirred tank.

A comprehensive understanding of high-speed liquid jets is required for their introduction into engine and combustion applications. Their transient nature, short lifetime, unique characteristics and the inability to take many experimental readings, has inhibited this need. This study investigates the outflow of a high-speed liquid jet into quiescent atmospheric air. The key characteristics present are, a bow shock wave preceding the jet head, an enhanced mixing layer and the transient deformation of the liquid jet core. The outflow regime is studied in an experimental and numerical manner. In the experimental investigation, a high-speed liquid water jet is generated using the momentum exchange by impact method. The jet velocity is supersonic with respect to the impinged gaseous medium. The resulting jet speed is Mach 1.8. The jet is visualised with the use of shadowgraph apparatus. Visualisation takes place over a variety of time steps in the liquid jet???s life span and illustrates the four major development stages. The stages progress from initial rapid core jet expansion to jet stabilisation and characteristic uniform gradient formation. The visualisation shows that at all stages of the jet???s life it is axi-symmetric. One dimensional nozzle analysis and a clean bow shock wave indicate that the pulsing jet phenomenon can be ignored. In the numerical investigation, a time marching finite volume scheme is employed. The bow shock wave characteristics are studied with the use of a blunt body analogy. The jet at a specific time frame is considered a solid body. The jet shape is found to have an important influence on the shock position and shape. Analysis of the results indicates a shock stand-off similar to that seen in experimental observations and the prediction of shock data. The jet life span is modelled using a species dependent density model. The transient calculations reproduce the key jet shape characteristics shown in experimental visualisation. The mushrooming effect and large mixing layer are shown to develop. These effects are strongest when the shock wave transience has yet to stabilise. Quantitative analysis of the mixing layer at varying time steps is presented.

Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την σχεδίασή του στο AUTOCAD. Εκτός από αυτό όμως, κρίθηκε σκόπιμο να προχωρήσουμε ένα ακόμη βήμα, με τη δόμηση του πλέγματος του πεδίου ροής του διαχωριστή. Ο λόγος είναι καθαρά τεχνικός και έγκειται στην παραπλήσια μορφή των εξής δύο εργασιών: της σχεδίασης στο AUTOCAD και της σχεδίασης της γεωμετρίας στο GAMBIT. Το πλέγμα ακολούθησε αμέσως μετά, για να μην επανερχόμαστε στη χρήση του GAMBIT στο επόμενο κεφάλαιο. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται η αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστική Ρευστομηχανική. Ουσιαστικά ολοκληρώνεται η φάση της μοντελοποίησης, με την επεξεργασία του πλέγματος στο FLUENT σε επίπεδο post processing αλλά και με το «στήσιμο» της προσομοίωσης. Τέλος, με το «στήσιμο» του μοντέλου, είμαστε σε θέση να διεξάγουμε την προμοίωση και να συλλέξουμε αποτελέσματα στη συνέχεια. Στην ανάλυση που γίνεται, ακολουθείται η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, υλοποίηση προσομοίωσης ροής και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προκύπτει ότι η απόδοση αυξάνει με την ταχύτητα εισόδου του μίγματος κάτι που είναι επιστημονικά σωστό – αποδεκτό. Επιτεύχθηκε σύγκλιση της λύσης και παρήχθησαν εικόνες της ροής μέσα στο διαχωριστή που μας δίνουν μια ποιοτική αποτίμηση του πεδίου ροής. Επειδή τα εξαγόμενα της εργασίας εδώ είναι κυρίως εικόνες από το FLUENT που περιγράφουν τη ροή, αυτές παρατίθενται στο παράρτημα 2 για να διευκολυνθεί η ροή της διατριβής. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Στην ανάλυση αυτή, ακολουθείται και πάλι η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, διεξαγωγή πειράματος και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Διερευνήθηκαν οι επιδράσεις των ανεξαρτήτων παραμέτρων συνδυασμένες σαν κλάσμα όγκου αέρα, στην απόδοση του διαχωριστή. Η συσκευή παρουσίασε καλή απόδοση σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας κάτι που υποδεικνύει ότι υπάρχει δυναμική για περαιτέρω έρευνα και βελτίωση. Σε αυτό το κεφάλαιο, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης, η οποία δεν προϋπήρχε, αλλά σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το μηδέν για την παρούσα εργασία. Σχέδια από τη φάση της σχεδίασης της εγκατάστασης στο AUTOCAD αλλά και λεπτομέρειές της, παρουσιάζονται αναλυτικά στο παράρτημα 3 μαζί με χαρακτηριστικές εικόνες από τη λειτουργία της. Το πρώτο εξαγόμενο από το πείραμα, είναι η ανάλυση της απόδοσης της συσκευής όπως παρουσιάστηκε στο 7ο κεφάλαιο. Το δεύτερο εξαγόμενο, -εξίσου σημαντικό- είναι η πιστοποίηση της μοντελοποίησης που έγινε στο 6ο κεφάλαιο. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στο 8ο κεφάλαιο. Το εξαγόμενο εδώ, είναι η τυποποίηση των ρυθμίσεων της υπολογιστικής διαδικασίας με τέτοιο τρόπο, ώστε στον επόμενο κύκλο (loop) πιστοποίησης του προϊόντος να έχουμε περισσότερα και πιο αξιόπιστα αποτελέσματα από το πρώτο στάδιο. Η ακρίβεια της πρόβλεψης με το υπολογιστικό πρόγραμμα, προέκυψε από την καλή αντιστοιχία που επιτεύχθηκε μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με το βέλτιστο μοντέλο, με τα πειραματικά αποτελέσματα τόσο σε σχέση με την παροχή αέρα στην έξοδο, όσο και με την απόδοση διαχωρισμού της συσκευής. Τέλος, στο 9ο κεφάλαιο κατατίθεται σύντομα –και με την εμπειρία που αποκτήθηκε- μία σειρά από δυνατότητες βελτίωσης του διαχωριστή. Είμαστε στο σημείο που αφήνουμε την ακαδημαϊκή ανάλυση του πεδίου ροής που ολοκληρώθηκε με επιτυχία και επικεντρωνόμαστε στην πιο πρακτική πτυχή, της βελτίωσης της απόδοσης της συσκευής. / The growth experienced in recent decades in the extraction of hydrocarbons, led to the adoption of increasingly modern technical products towards the phase separation near the source. The centrifugal separator is the most successful and widespread application. In this range of products, belongs the novel centrifugal separator presented in the present study. The analysis tries to balance between a "strictly scientific" analysis of the turbulent two-phase flow field in the separator and a more "practical" analysis of the performance of this device. The first is necessary because of the originality that has the particular scientific field and the lack of previous studies covering the issue; while the latter is essential because of the "practicality" we expect the final result to have. The problem that the present work is trying to solve, and the literature review that determines the direction to be followed by the research team, are presented in the 1st chapter. To tackle this problem, we follow a standard procedure of an industrial product development in four stages. In the first stage, the concept of function and the theory on which it is based are discussed. In the second stage, an initial investigation of the separator running a CFD simulation is performed. In the third step, an experimental - parametric analysis of the separator’s performance is being held. Finally, the fourth step is a confirmation - verification of CFD simulation. The 2nd chapter, is a theoretical analysis on the development of the governing equations of fluid flow. The equations of motion are developed and the transformation after the turbulence development is explained. At this point it is understood that it is not possible to solve them by analytical methods but with numerical. This is the beginning of the entry of numerical methods in fluid mechanics. The 3rd chapter, outlines the theoretical background upon which the analysis of two-phase flows and of turbulent flows is based. The theoretical analysis is completed in the 4th chapter by deepening in the numerical solution of equations of the second chapter. We begin with a brief presentation of the methods developed in recent decades, focusing on the method used in this work. Several simulation models focusing on the two-phase flow are presented here. Because this topic includes extensive mathematics, several sections were carried in Annex 1 to allow for consistency to the body of work, and maintain a balance between theoretical analysis and practice - research approach mentioned earlier. The presentation of pure research project starts in the 5th chapter, following the logical and chronological sequence that was analyzed before, with four stages in the “product development”. In this chapter, we discussed the concept of function and the theory on which it is based, and presented drawings of the design procedure in AUTOCAD. Apart from this however, it was decided to go a step further by building the grid of the flow field inside separator geometry. The reason is purely technical and is the similarity of the following two tasks: the design in AUTOCAD and geometry and mesh generation in GAMBIT. So the grid was generated in order not to revert to the use of GAMBIT in the next chapter. In the 6th chapter, we investigate the operation of the separator, by conducting an initial CFD simulation. An investigation of air-water separation process has been conducted using Υπολογιστική και Πειραματική Ανάλυση Διφασικής Ροής Αέρα – Νερού σε Φυγοκεντρικούς Διαχωριστές xi numerical simulation. Separator performance has been analyzed in terms of separation efficiency and pressure drop along the water flow path. The results of the analysis show that the performance increases with the inflow speed of the mixture which is scientifically correct - acceptable. Having achieved a converged solution and having produced images of the flow inside the separator we give a qualitative assessment of the flow field. Because the extracted work here is mostly pictures of the FLUENT describing the flow, these are listed in Annex 2 to facilitate the flow of the thesis. In the 7th chapter, the experimental - parametric analysis of the separator’s performance is conducted. New experimental data are reported, on the onsets of gas (air) and liquid (water) entrainment, mass flow rate and separation performance for the two-phase flow through the novel compact phase separator under various conditions. These data series cover the ranges of hmmhmwater/4/1303≤≤− and %90%4≤≤airvf. Influences of the independent parameters airm−0 and waterm−0 combined as air volume fraction vfair on the performance n, were considered. In this chapter, special emphasis is placed on describing the experimental setup, which did not exist, but was designed and built from scratch for this work. Designs from the design stage of the installation in AUTOCAD and its details are presented in detail in Annex 3 along with typical images of the operation. The first outcome of the experiment is the analysis of device’s performance as presented in chapter 7. The second outcome, -equally important- is the certification of modeling technique applied in chapter 6. This process takes place in the 8th chapter. The outcome, is to standardize the configuration of the computational process in such a way, that in the next development loop of the product, we have more and more reliable results than in the first stage. Finally, in chapter 9 (deposited soon after the experience gained), a series of possible improvements in the separator are presented. We leave it to the point that the academic analysis of the flow field was completed successfully and focus on more the practical aspect of improving the device’s performance.

The purpose of this master thesis is to investigate the usage of the Lattice Boltzmann Method (LBM) of Computational Fluid Dynamics (CFD) for real-time prediction of indoor air flows inside a data center module. Thermal prediction is useful in data centers for evaluating the placement of heat-generating equipment and air conditioning. To perform the simulation a program called RAFSINE was used, written by Nicholas Delbosc at the University of Leeds, which implemented LBM on Graphics Processing Units (GPUs) using NVIDIA CUDA. The program used the LBM model called Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) on a 3D lattice and had the capability of executing thermal simulations in real-time or faster than real-time. This fast rate of execution means a future application for this simulation could be as a predictive input for automated air conditioning control systems, or for fast generation of training data sets for automatic fault detection systems using machine learning. In order to use the LBM CFD program even from hardware not equipped with NVIDIA GPUs it was deployed on a remote networked server accessed through Virtual Network Computing (VNC). Since RAFSINE featured interactive OpenGL based 3D visualization of thermal evolution, accessing it through VNC required use of the VirtualGL toolkit which allowed fast streaming of visualization data over the network. A simulation model was developed describing the geometry, temperatures and air flows of an experimental data center module at RISE SICS North in Luleå, Sweden, based on measurements and equipment specifications. It was then validated by comparing it with temperatures recorded from sensors mounted in the data center. The thermal prediction was found to be accurate on a room-level within ±1° C when measured as the average temperature of the air returning to the cooling units, with a maximum error of ±2° C on an individual basis. Accuracy at the front of the server racks varied depending on the height above the floor, with the lowest points having an average accuracy of ±1° C, while the middle and topmost points had an accuracy of ±2° C and ±4° C respectively. While the model had a higher error rate than the ±0.5° C accuracy of the experimental measurements, further improvements could allow it to be used as a testing ground for air conditioning control or automatic fault detection systems.

Orientadores: Milton Mori, Marcos Akira d'Avila / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T21:18:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MarcelaKotsukada_D.pdf: 43160482 bytes, checksum: b46a2b0225fdad527404b8c745e2f23b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os principais problemas da simulação da fluidodinâmica em sistemas gás-líquido por CFD são as simplificações do comportamento dinâmico das bolhas. Na maioria dos processos industriais com escoamento gás-líquido em colunas de bolhas, as bolhas estão em velocidades altas e a coluna opera em regime heterogêneo. Existe ainda a influência da geometria do sistema e das propriedades físicas dos fluídos envolvidos no processo. Para que a técnica CFD seja aplicada adequadamente, visando aplicações industriais, é necessário considerar os fenômenos de quebra e coalescência. No entanto, existe uma carência de dados experimentais em tal regime de operação para testar a aplicabilidade dos modelos matemáticos empregados nas simulações. Neste trabalho é apresentado um estudo numérico e experimental de duas colunas de bolhas operando em regime heterogêneo. No primeiro caso, foram realizadas análises quanto a influência de diferentes modelos de arraste, além do emprego das forças interfaciais de sustentação e de dispersão turbulenta. Diferentes modelos de turbulência foram também verificados, tomando a fração volumétrica de gás em diferentes posições axiais e velocidade do gás provenientes da literatura. No segundo caso, realizou-se medidas por meio da técnica PIV de velocidades axiais médias da fase líquida e suas flutuações. Análises de intensidade turbulenta, tensores de Reynolds e energia sindética turbulenta foram realizadas, a fim de obter informações acerca da turbulência em três diferentes velocidades superficiais de gás. Para as análises numéricas foi aplicado um modelo matemático tridimensional, turbulento e transiente para a representação do escoamento nas duas colunas utilizadas. Este modelo trata ambas as fases, gás e líquido, a partir de uma abordagem Euleriana. Diferentes distribuições de tamanhos de bolhas foram empregados por meio do balanço populacional considerando os fenômenos de quebra e coalescência. Perfis radiais de fração volumétrica e velocidade de gás, além de perfis de velocidade média de líquido foram confrontados com dados experimentais publicados e medidos respectivamente. O modelo matemático previu um escoamento semelhante aos que foram encontrados nas colunas propostas / Abstract: The main problems encountered in the simulation of gas-liquid systems with the use of CFD are related to the simplifications of the bubble dynamic behavior. In most industrial procedures with gas-liquid flown in bubble columns, bubbles are at high speed and the column operates in the heterogeneous regime. There still is the influence of the system's geometry and fluids physical properties involved in the process. For correctly applying the CFD technique, aiming industrial applications, it is necessary to consider the breakup and coalescence phenomena. Nevertheless, there is a lack of experimental data available in this operational regimen to test the feasible application of the mathematical models used in simulations. In this work it is presented a numeric and experimental study of two bubble columns operating in the heterogeneous regime. In the first case, analyses of different drag models, besides the employ of the interfacial forces of lift and turbulent dispersion were performed. Different turbulence models were also verified, taking the gas holdup in different axial positions and gas velocity from literature. In the second case, measurements of mean axial liquid velocities and their fluctuations were performed with the PIV technique. Turbulence intensity, Reynolds stress tensors and turbulent kinetics energy analyses were performed in order to obtain information about the turbulence for three different gas superficial velocities. For the numerical analyses a tridimensional, turbulent and transient mathematical model to represent the flow in the two columns was applied. This model treats both phases, gas and liquid, with an Eulerian approach. Different bubbles size distributions were used by population balance considering the breakup and coalescence phenomena. Gas holdup, gas velocity and mean axial liquid velocity radial profiles were confronted to the published and acquired experimental data respectively. The mathematical model predicted a developed flow similar to those found in the proposed columns / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química