Thermische Energiespeicher tragen u. a. zur Erhöhung der Versorgungsicherheit in der Fernwärmeversorgung und zur Effizienzsteigerung des Fernwärmesystems (z. B. Flexibilisierung der Erzeuger, Speicherung überschüssiger Wärme, besserer hydraulischer Betrieb) bei. Dafür eignen sich Druckbehälter, sog. schlanke Heißwasserspeicher (Speichertyp b1). Die oben genannten Vorteile setzen einen effizienten Speicherbetrieb (niedrige interne und externe Speicherverluste) voraus. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Minimierung der internen Verluste durch die Verbesserung des thermischen Schichtungsverhaltens. Eine thermische Schichtung mit einem möglichst schmalen Übergangsbereich zwischen heißer und kalter Zone ist ein Indikator für geringe Mischvorgänge während der Beladung. Die Minimierung dieser Mischungsvorgänge bei der Beladung nimmt eine Schlüsselrolle bei der Minimierung der internen Speicherverluste ein. Lohse und Brähmer untersuchten die Beladung mit herkömmlichen radialen Diffusor in schlanken Heißwasserspeicher mit numerischer Strömungssimulation. Die Arbeiten identifizieren aufgrund der schlanken Speicherform nachteilige Strömungseffekte wie z. B. einen ausgeprägten Wandstrahl. Dieser Wandstrahl regt Mischvorgänge an und damit steigen die internen Speicherverluste. Zur Überwindung dieser Strömungsproblematik schlägt die Beladung mit Drall vor. Die Untersuchungen von Oestreich zeigten das Strömungsverhalten im Diffusor und im Speicher, die Auswirkungen auf die thermische Schichtung sowie die Vorteilhaftigkeit. Dieser Beitrag soll eine detailliertere Beschreibung der Strömungsvorgänge liefern. Dieses Wissen ist unbedingt notwendig, um die Ursachen und Wirkungen bei der Beladung mit Drall und beim Aufbau der thermischen Schichtung besser zu verstehen. Die Modellierung und Simulation des Diffusors bzw. des Speichers erfolgen mit ANSYS CFX. Zur Auflösung turbulenter Strukturen findet die Large Eddy Simulation Anwendung. Dieser Artikel präsentiert erstmalig die Wirbelstrukturen im Diffusor mit Leitelementen zur Drallerzeugung. Die Speicherströmung weist ein ähnliches Verhalten zu bekannten Dichteströmungen (z. B. Lappen-Kluft-Struktur, Instabilitäten in den freien Scherschichten) auf, was bisher nicht bekannt war. Hohe Peclet-Zahlen (hohe Advektionsströme) im Speichermodell führen zu numerischer Instabilität der Simulation und erfordern deshalb erhöhten Diskretisierungsaufwand. / Thermal energy storage systems contribute, among other things, to increasing the security of supply in the district heating system and to improving the efficiency of the district heating system (e.g., making the generators more flexible, storing waste heat, better hydraulic operation). Pressure vessels, so-called slim hot water storage tanks (storage type b1) are suitable for this purpose. The above mentioned advantages require efficient storage operation (low internal and external storage losses). This paper deals with the minimization of internal losses by improving the thermal stratification behavior. Thermal stratification with a thermocline between hot and cold zone as narrow as possible is an indicator of low mixing processes during loading. Minimizing these mixing processes during loading takes a key role in minimizing internal storage losses. Lohse and Brähmer investigated loading with conventional radial diffuser in slim hot water storage tanks with numerical flow simulation. The work identifies adverse flow effects due to the slim tank shape, such as a wall jet. This wall jet stimulates mixing processes and thus increases the internal storage losses. To overcome this flow problem, Findeisen et al. proposes swirl loading. The investigations of Oestreich et al. showed the flow behavior in the diffuser and in the storage, the effects on the thermal stratification as well as the advantageousness. This paper aims to provide a more detailed description of the flow processes. This knowledge is essential to better understanding the causes and effects of swirl loading and the structure of thermal stratification. Modeling and simulation of the diffuser and storage, respectively, are performed using Ansys CFX. Large eddy simulation (LES) is applied to resolve turbulent structures. This paper presents for the first time the vortex structures in the diffuser with internal elements for swirl generation. The storage flow exhibits similar behavior to known density flows (e.g., head and nose formation, instabilities in the free shear layers), which was previously unknown. High Peclet numbers (high advection currents) in the storage model lead to numerical instability of the simulation and therefore require increased discretization efforts.

Das IceCube-Experiment sucht nach astrophysikalischen, hochenergetischen Neutrinos, von deren Entdeckung man sich Antworten auf die seit mehr als 100 Jahren offene Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung erhofft. Zu diesem Zweck wurde ein kubikkilometergroßes Volumen tief im Antarktischen Eisschild mit optischen Sensoren instrumentiert, um die in Neutrinowechselwirkungen entstandene Cherenkov-Strahlung nachzuweisen.Diese Dissertation beschreibt eine Suche nach neutrinoinduzierten Teilchenschauern in Daten, die von April 2008 bis Mai 2009 während der Konstruktionsphase von IceCube aufgezeichnet wurden. Zu dieser Zeit war etwa die Hälfte der endgültigen Detektoranordnung in Betrieb. Das Ziel der Arbeit war die Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos mit der Maßgabe, gleichzeitig eine Sensitivität für Neutrinos terrestrischen Ursprungs aufrecht zu erhalten. Beide Sorten von Neutrinos müssen von einem vielfach größeren Untergrund von atmosphärischen Myonen isoliert werden. Die Suche nach Teilchenschauern im Detektor bietet sich hierfür an, da diese Signatur einer Neutrinowechselwirkung eine gute Energierekonstruktion ermöglicht und sich qualitativ von der Signatur des Myonuntergrunds unterscheidet. Eine robuste Abschätzung des Myonuntergrunds wurde mittels Luftschauersimulationen gewonnen. Methoden wurden entwickelt, um Neutrinos und Myonen voneinander zu unterscheiden. Zwei verschiedene Ereignisselektionen wurden erstellt. Die erste zielt mit einer Energieschwelle von 2 TeV auf die Messung atmosphärischer Neutrinos ab und fand einen geringen Überschuss an Ereignissen der quantitativ gut mit atmosphärischen Neutrinos erklärt werden kann, jedoch nicht signifikant genug ist, um einen rein myonischen Ursprung auszuschließen. Die zweite Selektion war mit einer Energieschwelle von 100 TeV für astrophysikalische Neutrinos optimiert. Der gefundene Überschuss ist kompatibel mit einer stringenteren Flussmessung, die mit dem fertiggestellten IceCube Detektor gelang. / The IceCube experiment aims at the detection of an astrophysical high-energy neutrino flux from which answers are expected regarding the long standing question of the origin of cosmic rays. To this end, a cubic-kilometer volume deep in the glacial ice has been instrumented with digital optical sensors in order to record Cherenkov light emitted by charged secondary particles that are generated in neutrino interactions. This dissertation presents a search for neutrino-induced particle showers, also called cascades, in data taken between April 2008 and May 2009 during IceCube’s construction phase, when about 50% of the final configuration was deployed and operational. The goal of this analysis is the detection of the astrophysical diffuse neutrino flux while maintaining sensitivity to neutrinos originating from the Earth’s atmosphere. Both neutrino fluxes must be separated from a much more abundant background of muons created in cosmic-ray-induced air showers. Good energy reconstruction and a signature in the detector that is qualitatively different from the muon background make cascade searches very well-suited for this task. A robust estimate of this background has been obtained from air-shower simulations. Techniques were developed to isolate the neutrino flux from the atmospheric muon background. Two event selections were prepared. Firstly, a low-energy sample with an energy threshold of about 2 TeV aimed at the detection of atmospheric neutrinos. A small excess above atmospheric muons was found that can be explained well by atmospheric neutrinos but is not significant enough to rule out a muon-only hypothesis. Secondly, a high-energy sample with an energy threshold of about 100 TeV targeted astrophysical neutrinos. A 2.7 sigma excess over the expectation from atmospheric muons and neutrinos was found. It is compatible with ­more stringent flux estimates obtained by measurements with the completed IceCube detector.

Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist ein hundert Jahre altes Rätsel der Astrophysik. Mit modernen Großobservatorien wurde die kosmische Strahlung bei immer höheren Energien gemessen, aber auch andere Boten wie Gammateilchen und Neutrinos werden nun zur Erforschung des nichtthermischen Universums eingesetzt. Das IceCube Neutrino Observatory hat den extragalaktischen diffusen Neutrinofluss in verschiedenen Kanälen gemessen, aber bis heute ist weitgehend ungeklärt, woher dieser Fluss stammt. Diese Arbeit verwendet Selektionen von spur- und kaskadenartigen Ereignissen, die zuvor für solche Messungen verwendet wurden. Beide Selektionen werden erstmals durch eine kohärente Modellierung der Signal- und Hintergrundereignisse sowie der Detektorantwort kombiniert, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung einer neuartigen Simulationsmethode zur konsistenten Behandlung von Unsicherheiten in der Detektorantwort liegt. Erstmals werden Hinweise auf eine Struktur im Energiespektrum des extragalaktischen diffusen Neutrinoflusses gefunden, entsprechend einem Flussüberschuss um 30 TeV und einem Flussdefizit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Energien im Vergleich zum bisher verwendeten einfachen Potenzgesetz-Spektralmodell. Das Modell des einfachen Potenzgesetzes wird mit 4.4 Sigma verworfen, verglichen mit der Hypothese des gebrochenen Potenzgesetzes. Weitere spektrale Modelle werden untersucht und die Robustheit des Ergebnisses wird demonstriert. Diese präzise Messung des extragalaktischen Neutrinoflusses und der Nachweis eines Bruchs im Spektrum ermöglichen ein besseres Verständnis extragalaktischer Neutrinoemitter. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik legt auch den Grundstein für zukünftige Analysen, die hochenergetische Neutrinodatensätze kombinieren. / The origin of cosmic rays remains a century-old mystery in astrophysics. With the advent of modern large-scale observatories, those cosmic rays have been measured at ever higher energies, but also other messenger particles such as gamma rays and neutrinos are now used to study the non-thermal universe. The IceCube Neutrino Observatory has established the extragalactic diffuse neutrino flux through various detection channels, whose origin also remains largely unexplained to this date. The work presented in this thesis uses track- and cascade-like event selections used previously for such measurements. Both are combined, for the first time, using a coherent modeling of the signal and background events as well as the detector response. The coherent modeling is developed in this thesis, with a dedicated focus on using a novel simulation method to treat detector response uncertainties consistently. For the first time, evidence for structure in the energy spectrum of the extragalactic diffuse neutrino flux is found, exhibiting a flux excess around 30 TeV and flux deficits at lower as well as higher energies compared to the previously used single power law spectral model. The single power law model is rejected with 4.4 sigma when compared to a broken power law hypothesis. Various spectral models are studied and the robustness of this result is demonstrated. This precise measurement of the extragalactic neutrino flux and the evidence for a break in the spectrum enable a better understanding of extragalactic neutrino emitters. The methodology developed in this thesis also lays the groundwork for future analyses combining high-energy neutrino datasets.

Das Ziel dieser Dissertation ist die Suche nach dem astrophysikalischen Neutrinofluss in einem IceCube-Datensatz bestehend aus 335 Tagen. IceCube ist ein 1 km$^{3}$ gro{\ss}er Neutrinodetektor, welcher sich am S{\"u}dpol befindet und aus 86 in das Eis eingefrorenen Trossen besteht, von denen jede mit 60 Digitalen Optischen Photomultipliern (DOM) best{\"u}ckt ist. Der Detektor befand sich noch in der Konstruktionsphase, daher bestand er nur aus 59 Trossen (IC59), als die Daten f{\"u}r diese Analyse gewonnen wurden.\newline Die hier behandelte Analysemethode ist empfindlich f{\"u}r alle drei Neutrinoarten. Wenn Neutrinos mit den im Eis vorhandenen Atomkernen wechselwirken, werden geladene Teilchen erzeugt, welche Tscherenkow-Strahlung aussenden, die dann von den DOM registriert und zur Rekonstruktion der Neutrinowechselwirkung verwendet wird. Diese Neutrinoereignisse m{\"u}ssen aus einem gro{\ss}en Untergrund von atmosph{\"a}rischen Myonen, der $10^{8}$ mal mehr Myonen als Neutrinos auf Trigger-Level enth{\"a}lt, gefiltert werden. Atmosph{\"a}rische und astrophysikalische Neutrinos k{\"o}nnen nur auf statistischem Wege auf der Grundlage ihrer rekonstruierten Energien unterschieden werden.\newline Um eine verl{\"a}ssliche Vorhersage f{\"u}r atmosph{\"a}rische Myonen in der finalen Filterstufe zu erreichen, wurde eine gro{\ss}e Anzahl von Myonen simuliert. Die vorgestellte Analyse war die erste, welche eine livetime von {\"u}ber einem Jahr f{\"u}r die Simulation von atmosph{\"a}rischen Myonen erreicht hat (f{\"u}r $E \geq 10$ TeV).\newline Eine erste Analyse z{\"a}hlte die Ereignisse mit einer Energie von $E>38$ TeV und fand 8 Ereignisse mit Energien zwischen 39 TeV und 67 TeV bei einer Untergrunderwartung von $3.6\pm 0.3$ Ereignissen. Dieser {\"U}berschuss wurde mit Hilfe eines Likelihood-Fit mit einer Energieschwelle von 10 TeV genauer untersucht. Es war kein astrophysikalischer Neutrinofluss n{\"o}tig, um den {\"U}berschuss zu beschreiben. Stattdessen wurde der {\"U}berschuss von einer h{\"o}heren Normierung des atmosph{\"a}rischen Neutrinoflusses absorbiert. Wenn keine weiteren Einschr{\"a}nkungen von unabh{\"a}ngigen Messungen oder Modellen des atmosph{\"a}rischen Neutrinoflusses verwendet werden, kann eine 90\% obere Grenze f{\"u}r den astrophysikalischen Neutrinofluss aller Neutrinoarten von $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=1.7\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ im Energiebereich von $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$ berechnet werden. Diese obere Grenze auf den Neutrinofluss liegt deutlich unter denen vorheriger IceCube-Analysen und ist kleiner als der sp{\"a}ter entdeckte astrophysikalische Neutrinofluss. Der atmosph{\"a}rischen Neutrinofluss, der im gleichen Fit bestimmt wurde, liegt deutlich {\"u}ber Modellvorhersagen basierend auf vor kurzem gewonnenen Messdaten. Wenn der atmosph{\"a}rische Neutrinofluss auf das Intervall dieser Modellvorhersagen beschr{\"a}nkt wird, ergibt sich eine obere Grenze f{\"u}r den astrophysikalischen Neutrinofluss aller Neutrinoarten von $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=3.2\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ im Energiebereich von $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$, was vertr{\"a}glich mit dem mittlerweile von IceCube gemessenen Neutrinofluss ist, welcher mit einer Analyse mit zwei Jahre Messzeit des fertiggestellten Ice-Cube-Detektors bestimmt wurde. / This thesis presents a search for the diffuse astrophysical neutrino flux in 335 days of IceCube data. IceCube is a 1 km$^{3}$ neutrino detector located at the South Pole, consisting of 86 strings, each equipped with 60 Digital Optical Photomultipliers (DOMs), frozen in the ice. The detector was still in construction when the data used in this analysis was taken, therefore only 59 strings were available (IC59).\newline The analysis presented here is sensitive to all three neutrino flavors. Neutrinos interacting with nuclei in the ice produce charged particles which emit Cherenkov light. This light is recorded by the DOMs and used for the event reconstruction. These neutrino events must be extracted from the huge background of atmospheric muons, which is $10^{8}$ times more common than neutrino events at trigger level. Finally, atmospheric and astrophysical neutrinos need to be distinguished statistically, based on the reconstructed neutrino energies.\newline To obtain a robust prediction of atmospheric muon events at the final level of the event selection, a huge simulation sample of atmospheric muons has been produced. This analysis was the first to achieve a livetime of more than one year of simulated atmospheric muon events with $E \geq 10$ TeV.\newline A first analysis counting the number of events with an energy $E>38$ TeV found 8 events with energies between 39 TeV and 67 TeV for a background prediction of $3.6\pm 0.3$ events. This excess was further investigated with a maximum likelihood fit with an energy threshold of 10 TeV. No astrophysical neutrino flux was required to describe the excess in the data. Instead, it was absorbed by a higher normalization of the atmospheric neutrino flux. If no constraints from independent measurements or models of the atmospheric neutrino flux are applied, a 90\% upper limit on the all-flavor astrophysical neutrino flux of $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=1.7\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ in the energy range of $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$ can be derived. This upper limit is considerably lower than earlier IceCube limits, and lower than the astrophysical neutrino flux discovered later. However, the atmospheric flux that is obtained in the same fit is considerably higher than model predictions based on recent measurement. If the atmospheric flux is constrained to the range of these model predictions, the upper limit is $E^{2}\Phi_{astro,\;ul} = 3.2\cdot 10^{-8}\; {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$, which is compatible with the astrophysical neutrino flux finally detected by IceCube using two years of data from the completed IceCube detector.

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse einer Suche nach einem diffusen Fluss hochenergetischer, extraterrestrischer Neutrinos. Solch ein Fluss wird von verschiedenen Modellen zur Entstehung kosmischer Strahlung vorhergesagt. In einem Neutrinodetektor wie IceCube stehen im wesentlichen zwei Signaturen zum Nachweis der Neutrinos zur Verfügung: Das spurartige Lichtsignal eines neutrinoinduzierten Myons und das sphärische Lichtmuster eines neutrinoinduzierten Teilchenschauers, hier Kaskade genannt. Gesucht wurden neutrinoinduzierte Kaskaden mit Hilfe des IceCube-Neutrinodetektors. Die Daten stammen aus der Zeit von 2008 mit 367 Tage Messzeit. In dieser Zeit befand sich der Detektor noch im Aufbau und hatte etwa die Hälfte seiner Größe erreicht. Eine Neutrinoflusssuche mittels Kaskaden ist sensitiv auf alle Neutrinoflavors. Da sich die Kaskaden nur über wenige Meter ausdehnen, ist anders als bei den kilometerlangen Myonspuren, eine gute Energierekonstruktion möglich. Dadurch kann der astrophysikalische Neutrinofluss vom atmosphärischen Neutrinountergrund statistisch unterschieden werden. In der Simulation von neutrinoinduzierten Kaskaden wurde bisher nicht berücksichtigt, dass innerhalb einer hadronischen Kaskade auch Myonen erzeugt werden. Dieses kann die Form der Kaskade dahingehend beeiflussen, dass die sphärische Symmetrie abnimmt. Daher wurde der Effekt in dieser Arbeit parametrisiert und der Simulation hinzugefügt. Weiter wurden Schnitte auf die Ereignistopologie und rekonstruierte Energie entwickelt, welche den Untergrund aus atmosphärischen Myonen und atmosphärischen Neutrinos reduzieren. Vier der gemessenen Ereignisse passieren diese Schnitte. Aufgrund der hohen systematischen Fehler ist dieses Ergebnis mit einer Untergrunderwartung von 0.72+/-0.28+1.54-0.49 Ereignissen verträglich. Unter der Annahme eines Flavorverhältnisses von 1:1:1 bestimmt sich daraus die obere Grenze für den Neutrinofluss zu 9.5*10^-8 E^-2 GeV/s/sr^/cm^2. / This thesis presents results of a search for a diffuse flux of high energetic neutrinos from extra-terrestrial origin. Such a flux is predicted by several models of sources of cosmic ray particles. In a neutrino detector, such as IceCube, there are mainly two signatures available for detection of neutrinos: The track-like light signal of a neutrino induced muon and the spherical light pattern of a neutrino induced particle shower, called cascades in this context. The search is based on the measurement of neutrino induced cascades within the IceCube neutrino detector. The data were taken in 2008/2009 with a total uptime of 367 days. At that time the detector was still under construction and had just reached half of its final size. A search for a neutrino flux using cascades is sensitive to all neutrino flavors. A cascade develops within few meters, in contrast to the muon track of several kilometers length. Therefore a good energy reconstruction is possible. With such a reconstruction the astrophysical neutrino flux can be statistically distinguished from the background of atmospheric neutrinos. In the simulation of cascades so far it was not included, that in hadronic cascades muons are produced. This can influence the shape of the cascade, to a less spherical one. Therefore the effect was parameterized in this thesis and included in the simulation. Further cuts on the event topology and reconstructed energy were developed, in order to reduce the background of atmospheric muons and atmospheric neutrinos. Four events from the measured data pass these cuts. Taking the high systematic uncertainties into account, this result is in agreement with the expected background of 0.72+/-0.28+1.54-0.49 events. For an assumed flavor ratio of 1:1:1$ the upper limit for the all flavor neutrino flux is 9.5*10^-8 E^-2 GeV/s/sr/cm2.

This work will be focused on issue of a jet engine. The thesis will be divided into search retrieval part and computational part. In the search retrieval part it will focus on different configurations of jet engines as well as areas of their use. The main part of the thesis will however focus on a calculations where a turbine, compressor and an exhaust nozzle will be designed in order to give a thrust of approximately 1kN. Next step will be determination of an engine charcteristic that will give us a preview on how the engine performance will look like in off-design modes.

L’étude effectuée au cours de cette thèse a permis de caractériser numériquement les instabilités d’origine aérodynamique rencontrées dans un compresseur centrifuge dessiné par Turbomeca. Ce compresseur est composé d’une roue directrice d’entrée, d’un rouet centrifuge, d’un diffuseur radial et de redresseurs axiaux. Le module expérimental, dénommé Turbocel, sera accueilli au LMFA courant 2016. Le contenu de cette étude repose donc exclusivement sur des résultats numériques dont certains sont cependant comparés à des résultats expérimentaux partiels obtenus par Turbomeca sur une configuration proche. _ Le fonctionnement du compresseur est analysé à différentes vitesses de rotation, à partir de simulations RANS et URANS menées avec le code elsA. Du point de vue de la méthodologie, deux points importants sont à retenir :- Du fait du caractère transsonique de l’écoulement dans le rouet et le diffuseur radial à haut régime de rotation, les simulations RANS stationnaires ne permettent pas d’accéder à une description satisfaisante des phénomènes physiques. Cela est dû à l’utilisation d’un plan de mélange aux différentes interfaces rotor-stator qui a pour effet d’empêcher les ondes de choc de remonter à l’amont, et qui affecte tant la physique de l’écoulement que l’étendue de la plage de fonctionnement stable.- En-dessous d’un certain débit, les calculs URANS sur période machine révèlent que le comportement de l’étage n’obéit plus à la périodicité spatio-temporelle mono-canal. Une plage instable est alors obtenue à toutes les iso-vitesses simulées. A bas régime de rotation, une autre plage stable existe lorsque le compresseur est suffisamment vanné. L’étage retrouve alors une périodicité spatio-temporelle, à condition d’étendre le domaine de calcul dans le stator à deux canaux inter-aubes. En ce qui concerne les limites de stabilité de Turbocel, différentes évolutions sont décrites selon la vitesse de rotation considérée :- A haut régime de rotation, une basse fréquence commence à émerger près du point de rendement maximal et son intensité ne fait qu’augmenter jusqu.au pompage.- A bas régime, une signature basse fréquence comparable se manifeste près du point de rendement maximal mais disparaît passé un certain vannage, et n’est donc présente que sur une plage de débit délimitée. La seconde zone stable peut alors être numériquement parcourue jusqu.au pompage proprement dit. La signature basse fréquence est imputée à l’instauration d’une recirculation dans l’inducteur qui une fois établie est quasi-stationnaire. Les résultats numériques mettent en évidence que la source d’instabilité sévère sur Turbocel provient du diffuseur aubé. En fonction du point de fonctionnement, ce composant adopte des comportements différents, entre lesquels une certaine continuité existe, et ses performances chutent progressivement lorsque le débit diminue. Au final, les domaines de stabilité de l’étage de compression peuvent être reliés au type d’écoulement qui se développe dans le diffuseur radial, et apparaissent dictés par le diffuseur semi-lisse à haut régime de rotation. Enfin, afin d’étendre les plages de fonctionnement stable, une stratégie de contrôle basée sur l’aspiration de couche limite dans le diffuseur aubé a également été déterminée dans le cadre de cette thèse. Son évaluation fera l’objet d’études ultérieures sur Turbocel. / The present study aims at characterizing the aerodynamic instabilities involved in a centrifugal compressor designed by Turbomeca, by means of numerical simulation. This compressor is composed of inlet guide vanes, a centrifugal impeller, a radial vaned diffuser and axial outlet guide vanes. The test module, named Turbocel, will be delivered to the LMFA in 2016. Thus, the results presented in this manuscript are only based on CFD, although some of them are compared to experimental results obtained by Turbomeca on a close configuration.RANS and URANS simulations are performed for several rotational speeds, using the elsA software.Two methodological key points are to be emphasized:- As the flow in both the impeller and the radial diffuser is transonic at high rotational speed, steady RANS simulations cannot provide a satisfactory description of the physical phenomena taking place. This can be explained by the use of the mixing plane approach which prevents shock waves to extend upstream the rotor-stator interfaces, and which impacts the flow field predicted as well as the prediction of the stable operating range.- Below a given massflow rate, URANS simulations covering the spatial period of the compressor prove that the stage behavior does not obey to the single passage spatio-temporal periodicity anymore. An unstable operating range then appears at all the simulated rotational speeds. At low rotational speed, another stable range is however obtained if the compressor is further throttled’ A new periodicity arises on this massflow range, provided that the stator domain is extended to two neighboring blade passages. Concerning the stability domains of Turbocel, different evolutions are obtained depending on the rotational speed:- At high rotational speed, a low frequency phenomenon starts to develop near the peak efficiency point and its intensity keeps increasing until surge happens.- At low rotational speed, a low frequency signature also appears near the peak efficiency point, but it then vanishes when the compressor is further throttled, so that only a restricted operating range exhibits this instability. It then gives rise to a second stable operating range which can be described numerically, ending with surge itself. The low frequency signature is attributed to the enhancement of a flow recirculation in the inducer which, once fully established, is quasi-steady. The numerical results underline that the source of severe instability in the compressor comes from the vaned diffuser. Depending on the operating point, this component can adopt different behaviors, between which a relative continuity exists, and its performances decrease when the massflow rate decresases. The overall stage performances prove that at high rotational speed, the global stability is driven by the semi-vaneless diffuser and depends on the flow developing in the radial diffuser. Finally, in order to extend the stable operating range of the compressor, a flow control strategy based on boundary layer suction has also been determined in the diffuser. Its impact on the performances of Turbocel will be deeply studied later on.

This study focused on experimentally determining the cooling performance of a fully cooled, scaled-up model of a C3X turbine vane. The primary objective was to determine the differences in overall effectiveness in the presence and absence of a hot mainstream flowing over the vane. Overall effectiveness was measured using a thermally scaled matched Biot number vane with an impingement plate providing the internal cooling. This is the first study focused on investigating the effect of removing the mainstream flow and comparing the contour and laterally-averaged effectiveness data in support of the development of an assembly line thermal testing method. It was found that the proposed method of factory floor testing of turbine component cooling performance did not provide comparable information to traditional overall effectiveness test methods. A second experiment was performed in which the effect of altering the angle of attack of a flow into a passive turbulence generator was investigated. Measurements in the approach flow were taken using a single wire hot-wire anemometer. This study was the first to investigate the effects such a setup would have on fluctuating flow quantitates such as turbulence intensity and integral length scale rather than simply the mean quantities. It was found that both the downstream turbulence intensity and the turbulence integral length scale increase monotonically with approach flow incidence angle at a specified distance downstream of the turbulence generator. / text

The goal of this master thesis is to create a simplified model of an actual swirl diffuser using CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation, so that it would be easy to calculate (would have a simple geometry, a proper mesh and would enable quick definition of the model’s boundary conditions) and would also create an airflow pattern in space as close to reality as possible. In the process a CFD model with a certain geometry was created. Subsequently, various model settings were tested. Calculation results were compared with the results of the experimental measurement done using the PIV method.

The master’s thesis deals with the design of steam back-pressure turbine with integrated gearbox for compressor drive according to given parameters. The first part of the thesis is literature review which comprises a general division of steam turbines, especially a description of the types of blading. Furthermore, it describes the conversion of energy in the steam turbine stage in detail. The second part of the thesis contains calculations and includes the design of the flow parts of the steam turbine, the design of the outlet and the integrated gearbox. Attached to this work are drawings of a simplified section of the steam turbine with a gearbox and the layout drawing of the machine.