Αντικείμενο της διατριβής είναι η προσομοίωση της ροής και της μεταφοράς θερμότητας σε ηλιακά και ενεργειακά συστήματα. Η έμφαση δόθηκε στις δεξαμενές αποθήκευσης της θερμότητας που παράγεται στα συγκεκριμένα συστήματα, με στόχο τον χαρακτηρισμό των ενεργειακών απωλειών και την βελτιστοποίηση του σχεδιασμού τους. Κύριες δραστηριότητες της διατριβής θα είναι η περαιτέρω ανάπτυξη διαθέσιμων εργαλείων προσομοίωσης ροών φυσικής και μικτής συναγωγής, με διερεύνηση των νεώτερων εξελίξεων στην μοντελοποίηση με τη μέθοδο Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών (LES). Αρχικά γίνεται εκτεταμένη επικύρωση με πειραματικά αποτελέσματα σε απλές γεωμετρικές διατάξεις (π.χ. ορθογωνικά κανάλια ή κοιλώματα με βαθμίδα θερμοκρασίας) από την βιβλιογραφία. Στη συνέχεια η μεθοδολογία εφαρμόζεται στον υπολογισμό ροών σε πιο ρεαλιστικές γεωμετρίες, επιλεγμένες από πρακτικές εφαρμογές, όπως οι δεξαμενές αποθήκευσης νερού. Αναλύονται σε βάθος οι δυναμικές διεργασίες και τα ροϊκά φαινόμενα τόσο κατά την προσαγωγή της θερμότητας στη δεξαμενή (φόρτιση) όσο και κατά την απαγωγή της (εκφόρτιση) και η επίδραση που έχουν αυτά στην αποδοτικότητα της αποθήκευσης με βάση κατάλληλους ποσοτικούς δείκτες. Από τα αποτελέσματα αναδεικνύεται η σημασία της μοντελοποίησης σε τέτοιου είδους συστήματα ως ένα σημαντικό εργαλείο στη διερεύνηση της απόδοσης τους, του ενεργειακού χαρακτηρισμού τους και ακολούθως στην προσπάθεια επίτευξης του βέλτιστου σχεδιασμού τους. / The subject of the thesis is the Simulation of Turbulent Flow and Heat Transfer in Solar and Energy Systems. Emphasis is given in the thermal storage component of these systems, with the aim of characterizing their energy losses and improve their design. Main activities of the thesis will be the further development of available computational tools for the simulation of flows in natural and mixed convection, incorporating some of the most recent developments in modeling, particularly in the Large Eddy Simulation (LES) method. Initially, an extensive validation with experimental results in simple geometric configurations is carried out (e.g. channels or differentially heated cavities). Subsequently, the methodology is applied in the calculation of flows for more realistic geometries selected from practical applications, such as various hot water storage tanks. Analysis is conducted of the dynamic processes and relevant physical phenomena during the heat supply (charging) to and removal (discharging) from the tank and their influence on the storage effectiveness using appropriate thermodynamic indices. From the simulation results, the significance of the flow and heat transfer modeling in these systems as a practical tool for studying their performance is demonstrated, by characterizing their energy content and significantly contributing to the process of optimizing their design.

A breed-and-burn molten salt reactor (BBMSR) concept is proposed to address the Generation IV fuel cycle sustainability objective in a once-through cycle with low enrichment and no reprocessing. The BBMSR uses separate fuel and coolant molten salts, with the fuel contained in assemblies of individual tubes that can be shuffled and reclad periodically to enable high burnup. In this dual-salt configuration, the BBMSR may overcome several limitations of previous breed-and-burn (B$\&$B) designs to achieve high uranium utilisation with a simple, passively safe design. A central challenge in design of the BBMSR fuel is balancing the neutronic requirement of large fuel volume fraction for B$\&$B mode with the thermal-hydraulic requirements for safe and economically competitive reactor operation. Natural convection of liquid fuel within the tubes aids heat transfer to the coolant, and a systematic approach is developed to efficiently model this complex effect. Computational fluid dynamics modelling is performed to characterise the unique physics of the system and produce a new heat transfer correlation, which is used alongside established correlations in a numerical model. A design framework is built around this numerical model to iteratively search for the limiting power density of a given fuel and channel geometry, applying several defined temperature and operational constraints. It is found that the trade-offs between power density, core pressure drop, and pumping power are lessened by directing the flow of coolant downwards through the channel. Fuel configurations that satisfy both neutronic and thermal-hydraulic objectives are identified for natural, 5$\%$ enriched, and 20$\%$ enriched uranium feed fuel. B$\&$B operation is achievable in the natural and 5$\%$ enriched versions, with power densities of 73 W/cm$^3$ and 86 W/cm$^3$, and theoretical uranium utilisations of 300 $\mathrm{MWd/kgU_{NAT}}$ and 25.5 $\mathrm{MWd/kgU_{NAT}}$, respectively. Using 20$\%$ enriched feed fuel relaxes neutronic constraints so a wider range of fuel configurations can be considered, but there is a strong inverse correlation between power density and uranium utilisation. The fuel design study demonstrates the flexibility of the BBMSR concept to operate along a spectrum of modes ranging from high fuel utilisation at moderate power density using natural uranium feed fuel, to high power density and moderate utilisation using 20$\%$ uranium enrichment.