This thesis deals with numerical simulation of earth pressure against tubular bridges in the software Plaxis. Plaxis is a FEM (Finite Element Method) software based on numerical calculations for which approximate solutions are developed through an iterative process. The program is specifically designed for soil and rock mechanical tests, such as voltage and deformation calculations in soil.The Royal Institute of Technology conducted in 2005, field tests on tubular bridges of corrugated steel, which was part of Ersa Bayoglu Fleners PhD (Bayoglu Flener, 2009). She studied how two different tubular bridges deformed during installation and filling. Tests and measurements were made during filling. The location of the construction and measurements of tubular bridges was a field in Järpås, Lidköping. The company responsible for the production of the tubular bridges was ViaCon AB.This thesis is based on these measurements. Inspiration has also been the newspaper article, "Earth Pressure on an Integral Bridge Abutment: A Numerical Case Study" by Muir, and Nash (Wood & Nash, 2000) which describes how compaction can be simulated in the FEM program. With the above as a starting point, the numerical simulations were carried out.The voltage increase that occurs when the soil is packed has been simulated in the constitutive models Mohr Coulomb, Hardening Soil model in Plaxis from the article by Wood & Nash (2000).  The article by Muir Wood and Nash & Nash, 2000) described a recipe procedure, where compaction was simulated by imposing an external weight on the fill which then seemed the same. In the next calculation step, the earth was removed, a new fill was imposed and the calculation was carried out. In the subsequent calculation step, the load was re-imposed. Calculation steps were repeated until the desired fill level was achieved, i.e. The tubular bridge was completely covered. The tubular bridge's deformation during filling was studied. The early filling stages deformed the tubular bridge's head upwards. Deformation proceeded until filling reached the crown. Then there was a downward deflection. The results of shell deformation were then compared against Fleners studies as well as previous, similar numerical calculations performed by Segovia (Segovia, 2006).The results obtained during the numerical analysis were greatly underestimated. The shell deformed to the same extent as in the real field measurements. The deformation patterns corresponded to each other during the filling phases, but when the fill had reached the top of the head, the calculations began to diverge from the deformations in the numerical analysis. This is in contrast to field measurements where the deformation continued. In a comparison between Segovia and this study the results are not so very different, even though the deformations in this study are slightly smaller than those in Segovia's study. The difference in results may be due to the tubular bridges construction in Plaxis. The tubular bridge in this study was made based on sketches from ViaCon AB using the tunnel feature in Plaxis. One reason for the deformations are kept may be due to Plaxis' overestimate of the earth's rigidity and that the response from the simulated gasket fails.Finally, we studied the constitutive models' input parameters to see which parameter had the greatest impact on the tubular bridge's deformation at and around filling. The results from the parametric study were difficult to interpret. Although input data was varied, there was not any significant variation in results regarding the shell deformation. No parameter stuck out from the crowd. This shows how important it is to select an input that reflects what is to be simulated.

This master thesis treats the numerical simulation of shaped charge jets and its fragmentation process. Shaped charges is a method to concentrate the effect of an explosive charge and penetrate deeply into a target due to a the formation of a jet with great penetration capabilities. The jet's penetration capability is limited by the eventual axial breakup and an understanding of the fragmentation process is great importance.  A literature review on the existing methods for studying the fragmentation process is presented. A physical model and its governing equations are thereafter derived based on the review. A Lagrangian approach is used to model the jet and equations based on conservation laws coupled with a constitutive relationship yielding a system of nonlinear partial differential equations.  Moreover, an analysis of the well-posedness of a simplified problem is investigated and its derived conditions are consistent with the physically expected. The flight and initial breakup of the jet is then studied numerically by employing a method of lines. The implemented numerical model's stability is investigated empirically and the theoretically expected rate of convergence is confirmed. The theoretical conditions for well-posedness are also confirmed numerically.  The derived model and its implementation is tested for a real charge and its results are compared with and found consistent with more advanced simulations. Furthermore, the jets physical properties are also investigated and the existence of a critical wavelength is shown.  The resulting model and its implementation is capable of calculating position, velocity and geometry at fragmentation. It can also be used to investigate the calculated fragmentation's dependency on different parameters and constitutive equation. The numerical simulation can therefore be used to increase the understanding under which conditions the jet breakup and which material- and geometry properties that dominates the rate in the fragmentation process. Possible future use is also as the foundation of a tool that can be used to evaluate analytical models. / Detta masterexamensarbete behandlar numerisk simulering av riktad sprängverkans fragmenteringsprocess. Riktad sprängverkan är en metod för att koncentrera verkan från en sprängladdning och tränga in ett mål genom att en stråle med hög penetrationsförmåga bildas. Strålens penetrationsförmåga är begränsad av en förekommande axiell uppdelning, således är fragmentationsförloppet av stor betydelse.  En litteraturstudie om de existerande metoderna för att studera fragmenteringsförloppet presenteras. Utifrån studien erhålls en fysikalisk modell med korresponderande styrande ekvationer. En Lagrange formulering används för att modellera strålen och konserveringsekvationer i kombination med en konstitutiv ekvation leder till ett högre ordningens system av partiella differentialekvationer.  Vidare utförs en rättställdhetsanalys för ett förenklat problem och de härledda villkoren överensstämmer med det fysikaliskt väntade beteendet.  Strålens utsträckning och fragmentering simuleras sedan numeriskt genom att använda en semidiskretisering och lösa de uppkomna ordinära differentialekvationerna. Den numeriska lösningens stabilitet testas empiriskt och den teoretiska förväntade konvergensordningen bekräftas. De teoretiska rättställdhetsvillkoren testas även i den numeriska simuleringen och bekräftas.  Den härledda modellen och dess implementering testas även för en riktig laddning och resultaten jämförs och bedöms tillfredsställande med en mer avancerad simulering. Därtill undersöks hur stålens konstitutiva relation påverkar fragmenteringsprocessen och det påvisas även en kritisk våglängds existens. Den resulterande modellen och dess implementation kan beräkna strålens position, hastighet och geometri vid fragmentering. Vidare kan den användas för att för att undersöka hur olika parametrar samt konstitutiva ekvationers form påverkar den beräknade fragmenteringen. Eventuell framtida användning kan även vara grunden för ett verktyg som används för att undersöka analytiska metoder.  Ytterligare arbete inom fortsatt fragmentering skulle vara nödvändigt för en komplett formulering av fortsatt simulering och penetrationen av fragment.

This thesis is devoted to the analysis and optimization of pacing strategies in cross-country skiing and time-trial road cycling. In locomotive sports, it is well known that variable pacing strategies using changes in the distribution of power output are beneficial when external forces vary along the way. However, there is a lack of research that more in detail investigates the magnitude of power output alteration necessary to optimize performance.A numerical program has been developed in the MATLAB software to simulate cross-country skiing and time-trial road cycling, as well as pacing strategy optimization in these two locomotive sports. The simulations in this thesis are performed by solving equations of motion, where all the main forces acting on the athlete are considered. The motion equations also depend on the course profile, which is expressed as a connected chain of cubical splines.The simulation process is linked to an optimization routine called the Method of Moving Asymptotes (MMA), which strives to minimize the finishing time while altering the power output along the course. To mimic the human energetic system, the optimization is restricted by behavioural and side constraints.Simple constraints like maximum average power output are used for cross-country skiing in Papers I and II. In Paper III a more sophisticated and realistic constraint is used for the power output in time-trial road cycling. It is named the concept of critical power for intermittent exercise and combines the aerobic and anaerobic contributions to power output.In conclusion, this thesis has demonstrated the feasibility of using numerical simulation and optimization in order to optimize pacing strategies in two locomotive sports. The results are clearly showing that these optimized pacing strategies are more beneficial to performance than an even distribution of power output. / Denna avhandling är dedikerad att analysera och optimera farthållningsstrategier i längdskidåkning och tempocykling på landsväg. I idrotter som bygger på kontinuerlig framåtdrivning är det väl känt att farthållningsstrategier med variabel effekt är fördelaktiga om de yttre krafterna varierar längs banan. Ändå saknas forskning som mer i detalj utreder hur mycket effekten ska variera för att optimera prestationen.Ett numeriskt program har utvecklats i programvaran MATLAB för att simulera längdskidåkning och tempocykling samt optimera farthållningsstrategin i dessa idrotter. Simuleringarna använder sig av rörelseekvationer som består av de huvudsakliga krafter som verkar på idrottsutövaren under färd. Rörelseekvationerna påverkas också av banprofilen, som är uppbyggd av en sammankopplad kedja av tredjegradspolynom.Simuleringsprogrammet är kopplat till en optimeringsalgoritm med namnet Method of Moving Asyptotes (MMA), som strävar efter att minimera tiden mellan start och mål genom att ändra effekten längs med banan. Optimeringen begränsas av bivillkor i ett försök att efterlikna den mänskliga kroppens fysiologiska begränsningar.Enkla begränsningar såsom maximal medeleffekt används för längdskidåkningen i artikel I och II. I artikel III används mer sofistikerade och realistiska bivillkor för att begränsa uteffekten vid landsvägscykling. Här används modellen för kritisk effekt vid intervallträning, som kombinerar aerobt och anaerobt arbete.Sammanfattningsvis har denna avhandling visat på möjligheterna med att använda numerisk simulering och optimering för att optimera farthållningsstrategin i två idrotter. Resultaten visar tydligt att dessa optimerade farthållningsstrategier med varierande effekt är mer fördelaktiga för prestationen jämfört med en farthållningsstrategi med helt jämn effektfördelning.

This thesis is devoted to the optimization of pacing strategies in two locomotive endurance sports; cross-country skiing and road cycling. It has been established that constant pace and variable power distributions are optimal if purely mechanical aspects of locomotion are considered in these sports. However, there is a lack of research that theoretically investigates optimal pacing for real world athletes who are constrained in their ability to generate power output through the bioenergetics of the human body. The aims of this thesis are to develop numerical pacing strategy optimization models and bioenergetic models for locomotive endurance sports and use these to assess objectives relevant in optimal pacing. These objectives include: Investigate the impact of hills, sharp course bends, ambient wind, and bioenergetic models on optimal pacing and assess the effect of optimal pacing strategies on performance. This thesis presents mathematical models for optimization of pacing strategies. These models are divided into mechanical locomotion, bioenergetic, and optimization models that are connected and programmed numerically. The locomotion and bioenergetic models in this thesis consist of differential equations and the optimization model is described by an iterative gradient-based routine. The mechanical model describes the relation between the power output generated by an athlete and his/her locomotion along a course profile, giving the finishing time. The bioenergetic model strives to mimic the human ability to generate power output. Therefore, the bioenergetic model is set to constrain the power output that is used in the mechanical locomotion model. The optimization routine strives to minimize the finishing time in the mechanical locomotion model by varying the distribution of power output along the course, still satisfying the constraints in the bioenergetic model. The studies contained within this thesis resulted in several important findings regarding the general application of pacing strategies in cross-country skiing and road cycling. It was shown that the constant pace strategy is not optimal if ambient conditions change over the course distance. However, variable power distributions were shown beneficial if they vary in parallel with course inclination and ambient winds to decrease variations in speed. Despite these power variations, speed variations were not eliminated for most variable ambient conditions. This relates to the athlete’s physiological restrictions and the effect of these are hard to predict without thorough modeling of bioenergetics and muscle fatigue. Furthermore, it vi was shown that substantial differences in optimal power distributions were attained for various bioenergetic models. It was also shown that optimal braking and power output distributions for cycling on courses that involve sharp bends consisted of three or four phases, depending on the length of the course and the position of the bends. The four phases distinguished for reasonably long courses were a steady-state power phase, a rolling phase, a braking phase, and an all-out acceleration phase. It was also shown that positive pacing strategies are optimal on relatively long courses in road cycling where the supply of carbohydrates are limited. Finally, results indicated that optimal pacing may overlook the effect of some ambient conditions in favor of other more influential, mechanical or physiological, aspects of locomotion. In summary, the results showed that athletes benefit from adapting their power output with respect not only to changing course gradients and ambient winds, but also to their own physiological and biomechanical abilities, course length, and obstacles such as course bends. The results of this thesis also showed that the computed optimal pacing strategies were more beneficial for performance than a constant power distribution. In conclusion, this thesis demonstrates the feasibility of using numerical simulation and optimization to optimize pacing strategies in cross-country skiing and road cycling. / Avhandlingen handlar om optimering av farthållningsstrategier inom längdskidåkning och landsvägscykling. Det finns ett utbrett stöd för att konstant fart och varierande effektfördelningar är optimala om endast mekaniska aspekter beaktas i dessa sporter. Ändå saknas teoretiska studier som undersöker optimal farthållning för verkliga idrottsutövare som är begränsade i sin förmåga att generera effekt genom kroppens bioenergetiska system. Målen med den här avhandlingen är att utveckla metoder för bioenergetik och optimering av farthållningsstrategier i uthållighetsidrott. Dessutom är målet att undersöka påverkan av backar, svängar, omgivande vind och bioenergetisk modellering på den optimala farthållningsstrategin samt att utreda potentialen till prestationsförbättring med optimala farthållningsstrategier. Avhandling presenterar matematiska modeller för optimering av farthållningsstrategier. Dessa modeller delas in i en mekanisk modell för förflyttning, en bioenergetisk modell och en optimeringsmodell. De mekaniska och bioenergetiska modellerna som presenteras i avhandlingen består av differentialekvation och optimeringsmodellen utgörs av en gradient-baserad algoritm. Den mekaniska modellen beskriver förhållandet mellan utövarens effekt och den resulterande rörelsen längs banan som ger tiden mellan start och mål. Den bioenergetiska modellen beskriver människokroppens olika energisystem och dess begränsningar att generera effekt. Den bioenergetiska modellen interagerar med optimeringsmodellen genom att utgöra dess begränsningar för vad den mänskliga kroppen klarar av. Sammanfattningsvis försöker optimeringsmodellen minimera tiden mellan start och mål i den mekaniska modellen genom att variera effekten längs banan. Samtidigt ser optimeringsmetoden till att denna effektfördelning inte kränker den bioenergetiska modellen. Studierna som ingår i avhandlingen resulterade i flera viktiga upptäckter om generella tillämpningar av farthållningsstrategier inom längdskidåkning och landsvägscykling. Det visade sig att konstant fart inte är optimalt om omgivande betingelser varierade längs banans sträckning. Däremot var varierande effektfördelning fördelaktig om den varierar parallellt med banlutning och omgivande vindpåverkan för att minska fartens variationer. Trots denna variation, visade resultaten att fartvariationerna inte eliminerades helt. Detta har att göra med utövarens fysiologiska begränsningar, vars påverkan är svår att förutspå utan genomgående modellering av bioenergetik relaterat till muskeltrötthet. Dessutom viii visade resultaten att olika bioenergetiska metoder gav upphov till betydande skillnader i de optimala farthållningsstrategierna. Resultaten i avhandlingen visade också att optimal effektfördelning vid kurvtagning i landsvägscykling innehåller tre eller fyra faser. The fyra faser som var utmärkande på relativt långa banor var en tröskelfas, en rullfas, en bromsfas och en maximal accelerationsfas. Resultaten visar också att positiv farthållning är optimal på relativt långa banor i landsvägscykling där tillgången på kolhydrater är begränsad. Samtidigt visade resultaten på optimala farthållningsstrategier ibland att inverkan av omgivande betingelser förbisågs till fördel för med inflytelserika betingelser som påverkar framdrivningen. Sammantaget visar resultaten i denna avhandling att utövare gagnas av att anpassa effekten med hänsyn till varierande terräng, omgivande vind, atletens egen fysiologiska och biomekaniska förmåga, banans längd och hinder såsom kurvor. Resultaten visar också att de optimala farthållningsstrategier med varierande effektfördelning som beräknats i denna avhandling förbättrar prestationen jämfört med konstanta effektfördelningar. Sammanfattningsvis visar denna avhandling på möjligheterna att använda numerisk simulering och optimering för att optimera farthållningsstrategier i längdskidåkning och landsvägscykling. / <p>Vid tidpunkten för disputationen var följande delarbeten opublicerade: delarbete 5 accepterat, delarbete 6 manuskript.</p><p>At the time of the doctoral defence the following papers were unpublished: paper 5 accepted, paper 6 manuscript.</p>

As one of the key components of aero engines, compressor is required to endure higher pressure,  possess  higher  efficiency  and  wider  operating  range. Intensive studies have been made on tip leakage flow and researchers find that by reasonably organizing tip leakage flow, aero engines are  more likely to achieve better performance and reliability. Conventional flow controlling methods  like casing treatment and micro jet could substantially modify tip leakage flow, unfortunately with  a price of additional loss, not to mention the difficulty in manufacturing such structure. Whereas  plasma actuation  flow control method  uses  plasma actuators,  such equipment is easy  to  build,  responses  fast  and  has  a  wide  excitation  bandwidth.  This  method  has  become  a  new  trend  in  internal flow active control field.  In this research, a phenomenological model is adopted to simulate DBD plasma actuation in the  flow field inside a compressor cascade. The aim is to find out how plasma actuation will influence  tip  leakage  flow.  Meanwhile  possible  means  to  improve  plasma  actuation  performance  are  discussed.  First of all, numerical simulation of flow inside a compressor cascade without plasma actuation is  conducted to validate accuracy of the numerical methodology adopted and then determine one  numerical  approach  that  satisfies  specific  needs  sufficiently.  Meanwhile,  influence  of  casing  movement on tip leakage flow as well as possible mechanism of tip leakage vortex core generation  is investigated in detail. The results indicate:    1. Generating position of tip leakage vortex moves towards leading edge with increasing moving  speed of shroud.  2. As shroud moving speed increases, trajectory of tip leakage vortex moves away from suction  side of blade and closely towards shroud.  3. Casing movement  tends  to  transform  tip leakage vortex  from  circular  to  oval  shape  due  to  circumferential shearing.  4. Casing  movement  has  little  influence  on  total  pressure  field  concerning  absolute  pressure  value. While total pressure loss does reduce slightly with increasing moving speed of shroud.  5.Vorticity  transport  from  tip  clearance  into  passage  may  be  contributing  significantly  to  generation of tip leakage vortex inner core.  Secondly, a simplified model of DBD plasma actuation based on literature [1] is derived and applied  through  UDF  function  of  commercial  software  Fluent  into  the  flow  field.  Different  actuation  positions,  voltages  and  frequencies  are  applied  in  simulation  and  compared.  After  that  casing  movement is included. Main conclusions are as follow:    6. Plasma  actuation  shows  significant  suppressing  effect  on  tip  leakage  vortex  on  both  size,  trajectory and strength.  7. The suppressing effect on tip leakage vortex grows stronger as actuator moves towards leading  edge.  8. Increasing actuation voltage results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex.  9. Plasma actuation can effectively improve total pressure loss situation near shroud region with  increasing actuation power.  10. Increasing actuation frequency results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex as  well. Additionally, frequency performs slightly better than voltage. 11. Casing  movement  tends  to  weaken  suppressing  effect  of  tip  leakage  vortex  by  plasma  actuation. More  actuation  power  is  needed  to  achieve  sufficient  suppressing  effect  in  real  compressors. / Som en av de viktigaste komponenterna i flygmotorer krävs det att kompressorn utsätts för högre  tryck, har högre effektivitet och  större driftsintervall. Intensiva  studier har gjorts om  skovlarnas  toppspel  läckageflöde  och  man  anser  att  det  är  mer  sannolikt  att  flygmotorer  uppnår  bättre  prestanda  och  tillförlitlighet  genom  att  på  ett  rimligt  sätt  reglera  läckageflödet  i  toppspelet.  Konventionella metoder  för reglering av flödet, som behandling av “casing” och mikrojet, skulle  kunna  ändra  läckageflödet  avsevärt,  men  medför  tyvärr  ytterligare  förlust,  för  att  inte  tala  om  svårigheten att tillverka en sådan struktur. Samtidig flödeskontroll med hjälp av plasma aktuatorer  som är relativt lätta att bygga, reagerar snabbt och har en bred excitationsbandvid. Denna metod  har blivit en ny trend inom det interna flödesaktiva kontrollområdet.  I  denna  forskning  antas  en  modell  för  att  simulera  plasmaaktivering  av  DBD  i  flödesfältet  i  en  kompressorskaskad. Man försöker ta reda på hur plasmaaktivering påverkar läckageflödet. Möjliga  sätt att förbättra effekten av plasmaaktivering diskuteras.  För  det  första  genomförs  numerisk  simulering  av  flödet  i  en  kompressorskaskad  utan  plasmaaktivering för att validera noggrannheten i den numeriska metoden. Därefter undersöks i  detalj vilken inverkan den relativa rörelsen av ”casing” har på läckageflödet genom toppspelet och  mekanismen för toppspelsvirvel analyseras. Resultaten visar:    1. Startposition för läckagevirveln rör sig mot skovelns framkant när man introducerar och ökar  den relativa hastigheten för ”casing”.    2. I takt med att den relativa hastigheten ökar, kretsbanan för    läckage virveln rör sig bort från  skovelns sugsida och närmare mot ”casing”.  3. Den  relativa  rörelsen  tenderar  att  omvandla  virveln  från  cirkulär  till  oval  form  på  grund  av  skjuvkrafter.  4. Den relativa rörelsen av ”casing” påverkar inte det totala tryckfältet när det gäller det absoluta  tryckvärdet. Samtidigt som den totala tryckförlusten minskar något med ökad hastighet.  5. Virveltransport från toppspelet till huvudkanalen kan på ett betydande sätt bidra till att skapa  virvelns inre kärna.  I senare delen av arbetet utvecklas och tillämpas en förenklad modell för plasmaaktivering av DBD  baserad  på  litteratur  [1],  genom  att  använda  UDF‐funktionen  i  kommersiell  CFD  programvara  Fluent.  Olika  aktuatorläge,  spänningar  och  frekvenser  prövas  i  simuleringen  och  jämförs.  De  viktigaste slutsatserna är följande:    6. Aktuering av plasma visar en betydande dämpningseffekt på läckagevirveln i toppspelet både  va det gäller dess storlek, bana och styrka.  7. Den  dämpande  effekten  på  läckagevirveln  blir  starkare  när  aktuator  monteras  närmare  skovelns framkant.  8. Ökad aktuatorspänning leder till en starkare dämpande effekt på läckagevirveln.  9. Ökad aktuatorfrekvens leder till starkare dämpningseffekt på läckagevortex också.mDessutom  fungerar frekvensen något bättre än spänningen.  10. Den  relativa  rörelsen  av  ”casing”  försvagar  effekten  av  plasmaaktuering.  För  att  uppnå  tillräcklig dämpningseffekt i riktiga kompressorer krävs mer effekt till aktuatorn.

A spillway is an important component of a dam and serves as a flood release structure. It achieves controlled discharge of water and protects the dam from overtopping. The majority of the hydropower dams were built before the 1980s, and many spillways are undersized in light of the present design flood guidelines. Another issue that arises in connection with the high design floods is the energy dissipation capacity. Many existing energy-dissipating arrangements are insufficient or construed only for a design flood standard at the time of dam construction. The increment in the flood discharges requires that the energy dissipation should be improved to obtain sufficient capacity or higher efficiency. In addition, the high-velocity flow is a major concern in the design of spillways. If the flow velocity exceeds approximately 20 m/s, the risk of cavitation may arise. In Sweden, many dams belong to this category. To address these issues, an assessment of their discharge behaviours is required. Innovative engineering solutions for better energy dissipation and cavitation mitigation are also necessary for safe operation. This thesis presents machine learning based methods for discharge estimation. Three data-driven models are developed to study the discharge behaviours of the overflow weirs. Their reliability is validated through the comparison with the experimental and empirical results. These models are capable of giving accurate predictions and show superiority over the conventional approaches. With high accuracy and adaptability, data-driven models are an effective and fast alternative for spillway discharge prediction. This research also focuses on the hydraulic design of stepped spillways, aiming to devise innovative engineering solutions to enhance energy dissipation and reduce cavitation risks. Consequently, several unconventional step layouts are conceived and their hydraulic behaviours are investigated. The modified configurations include steps with chamfers and cavity blockages, non-linear steps and inclined steps. This part attempts to gain insight into the effects of the step geometries on the spillway hydraulics via computational fluid dynamics, which provides references for engineering applications. / Ett utskov är en viktig komponent i en damm och fungerar som ett skydd mot översvämning. Det avbördar vatten på ett kontrollerat sätt och skyddar dammen från överströmning. Majoriteten av vattenkraftsdammarna byggdes före 1980-talet och många utskov är underdimensionerade i förhållande till de nuvarande riktlinjerna för utformning med avseende på dimensionerande flöden. En annan fråga som uppstår i samband med höga flöden är energiomvandlingskapaciteten. Många befintliga arrangemang för reducering omvandling av vattnets rörelseenergi är otillräckliga eller endast anpassade för det dimensionerande flöde som gällde vid tidpunkten för dammens uppförande. En avbördningsökning kräver i sin tur att energiomvandlingsförmågan förbättras för att uppnå tillräcklig kapacitet eller högre effektivitet. Dessutom är höghastighetsflödet ett stort bekymmer vid utformningen av utskov. Om flödeshastigheten överstiger t.ex. 20 m/s uppstår risk för kavitation i vattenvägar. I Sverige hör många dammar till denna kategori. För att lösa dessa problemställningar behöver en utvärdering av avbördningsanordningar göras. Innovativa tekniska lösningar som syftar till effektiv hantering av flödesenergi och kavitationsreducering, vilka utgör nödvändiga förutsättningar för säker drift av anläggningar. Denna uppsats presenterar maskininlärningsbaserade metoder för att prognostisera avbördning i dammar. Tre datadrivna modeller har utvecklats för att studera avbördningsegenskaper hos överfallsdammarna. Deras tillförlitlighet valideras genom jämförelse med experimentella och empiriska resultat. Modellerna kan ge noggrann uppskattning, som kan användas som ett tillförlitligt alternativ för bestämning av avbördning. Forskningen fokuserar också på den hydrauliska utformningen av stegade bräddavlopp (s.k. stepped spillway), i syfte att utveckla innovativa tekniska lösningar för att åstadkomma hög energiförlust och minska kavitationsrisker. Flera okonventionella stegformade geometrier föreslås och deras hydrauliska egenskaper undersöks. Denna del syftar till att, via numerisk simulering, ge en inblick i vilka effekter olika steggeometrier har på avbördningshydrauliken, vilken tillhandahåller referens för tekniska applikationer. / <p>QC 20210205</p>

The near-wall modelling of turbulent flows has been an active field of research due to the computational cost associated with the direct numerical simulations of such flow, which are characterized by a wide range of length and time scales. With the recent advancements in technological capabilities, the availability of high-fidelity data has enabled the construction of data-driven approaches to model turbulence. In this thesis, deep-learning models are used to model the dynamically important near-wall region in a turbulent boundary layer. As a first step, a direct numerical simulation (DNS) of an incompressible zero-pressure-gradient (ZPG) turbulent boundary layer (TBL) over a flat plate is performed using a pseudo-spectral code, SIMSON (Chevalier et al., 2007). The Reynolds number based on free-stream velocity and inlet displacement thickness is 450 and the passive scalars are simulated at Prandtl numbers of 1, 2, 4 and 6. Turbulence statistics for the flow and thermal fields are computed and compared against the numerical simulations at a similar Reynolds number. To generate the training, validation and test datasets for the neural network, the turbulent velocity fluctuation fields are sampled at various wall-normal locations, y+ = 15, 30, 50, 100 at a constant sampling time of ∆t+ = 0.99, in addition to the streamwise and spanwise wall-shear-stress fields, pressure field and heat flux fields at the wall. A fully convolutional network (FCN) based model is proposed for the prediction of two-dimensional velocity-fluctuation fields farther from the wall using the sampled fields at the wall. The quality of predictions from the network is assessed based on (i) the mean-squared error (MSE) between the predictions and the DNS fields, (ii) the relative percentage error in prediction of root-mean-squared (RMS) of fluctuations or fluctuation intensity and (iii) the correlation coefficient between the predicted and the DNS fields. Different types of predictions are performed, where the three components of the velocity-fluctuation fields are predicted simultaneously by the FCN, and these predictions are classified based on the input fields to the FCN. Three different types of predictions are presented in this study, and an auxiliary-loss-function approach is also introduced to improve the performance of the FCN. The results from the proposed data-driven model for ZPG TBL shows a good capability in the prediction of both the instantaneous fluctuation fields and the turbulent statistics like fluctuation intensity. In particular, the prediction of velocity-fluctuation fields at y+ = 30 using only the heat-flux field at Pr = 6 exhibits less than 12% error in the prediction of streamwise fluctuation intensity. The results obtained in this study indicate the potential of FCN in serving as a computationally effective tool to predict turbulent-velocity-fluctuation fields close to the wall using the inputs from the wall and finds useful application in flow-control problems. / Nära väggmodelleringen av turbulenta flöden har varit ett aktivt forskningsfält på grund av beräkningskostnaderna i samband med de direkta numeriska simuleringarna av sådant flöde, som kännetecknas av ett brett spektrum av längd- och tidsskalor. Med de senaste tekniska framstegen har tillgången på data i hög kvalitet möjliggjort konstruktion av datadrivna metoder för modellturbulens. I denna avhandling används djupinlärningsmodeller för att modellera det dynamiskt viktiga området nära väggen i ett turbulent gränsskikt. Som ett första steg utförs en direkt numerisk simulering (DNS) av ett inkomprimerbart nolltryck-gradient (ZPG) turbulent gränsskikt (TBL) över en platt platta med hjälp av en pseudo-spektral kod, SIMSON (Chevalier et al., 2007). Reynolds-talet baserat på friströmshastighet och inloppsförskjutningstjocklek är 450 och de passiva skalarna simuleras vid Prandtlnumbers på 1, 2, 4 och 6. Turbulensstatistik för flödet och termiska fält beräknas och jämförs med de numeriska simuleringarna vid ett liknande Reynolds -nummer. För att generera utbildnings-, validerings- och testdatauppsättningar för det neuralanätverket samplas turbulenta hastighetsfluktuationsfält på olika väggnormala platser, y+ = 15, 30, 50, 100 vid en konstant provtagningstid på ∆t+ ≈ 0, 99, dessutom till strömmande och spanvisa väggskjuvspänningsfält, tryckfält och värmeflödesfält vid väggen. En helt konvolutionsnät (FCN) baserad modell föreslås för förutsägelse av tvådimensionella hastighetsfluktuationsfält längre från väggen med hjälp av de samplade fälten vid väggen. Kvaliteten påförutsägelser från nätverket bedöms baserat på (i) medelkvadratfelet (MSE) mellan förutsägelserna och DNS-fälten, (ii) det relativa procentuella felet vid förutsägelse av rot-medelkvadrat (RMS) för fluktuationer eller fluktuationsintensitet och (iii) korrelationskoefficienten mellan de förutsagda och DNS fälten. Olika typer av förutsägelser utförs, där de tre komponenterna i hastighetsfluktuationsfälten förutspås samtidigt av FCN, och dessa förutsägelser klassificeras baserat på inmatningsfälten till FCN. Tre olika typer av förutsägelser presenteras i denna studie, och en metod för hjälp-förlustfunktion introduceras också för att förbättra prestanda för FCN. Resultaten från den föreslagna datadrivna modellen för ZPG TBL visar en god förmåga i förutsägelsen av både momentana fluktuationsfält och den turbulenta statistiken som fluktuationsintensitet. I synnerhet uppvisar förutsägelsen av hastighetsfluktuationsfält at y+ = 30 med endast värmeflödesfältet vid Pr = 6 mindre än 12% fel i förutsägelsen av strömningsvis fluktuationsintensitet. Resultaten som erhållits i denna studie indikerar FCN: s potential att fungera som ett beräkningsmässigt effektivt verktyg för att förutsäga turbulenta hastighetsfluktuationsfält nära väggen med hjälp av ingångarna från väggen och finner användbar tillämpning i flödeskontroll -problem.