I arbetet undersöks lärares uppfattningar om partikelmodeller och vad de anser vara nödvändiga kunskaper för att elever ska kunna använda dessa. I undersökningen deltar fem legitimerade och verksamma lärare inom naturvetenskapsämnena. Lärarna bidrar med att ge sina perspektiv på begreppet partikelmodell och hur det kan skilja sig från läroplanens begrepp ”enkel partikelmodell”. De sätter även ord på vad eleverna behöver utveckla för kunskaper för att använda enkla partikelmodeller. Datainsamlingen utgörs av intervjuer med de fem lärarna som transkriberas och citeras. Resultatet från intervjuundersökningen diskuteras i relation till aktuell forskning och den nu gällande- och den kommande kursplanen i kemi där det relativt ospecificerade begreppet ”enkla partikelmodeller” används. Undersökningen bidrar med flera förklaringar till vad partikelmodeller kan vara och uppmanar till att vidare utforska området, inte minst för att se över den svenska läroplanens beskrivning. / This study explores teacher descriptions of particle models and the particle model of matter. The teachers also describe what they consider to be necessary knowledge for young students to make use of them. The interview study is based on the thoughts of five science teachers regarding “simple” particle models in comparison to particle models. The gathered data from the interviews is analysed and the result of the study is compared to recent studies and the Swedish curriculum for chemistry. The aim of the study is to shed some light and various viewpoints on the particle model and to propose further studies in relation to the Swedish curriculum and its debatable description on the particle model.

In this MSc thesis, it is investigated what parameters are relevant for describing energy consumption of heavy haul freight trains and how these can be used to develop key performance indicators (KPIs) for energy efficiency. The possible set of KPI is bounded by data available from energy meters used in electric IORE class locomotives hauling iron ore trains in northern Sweden. Furthermore, the analysis is only concerned with energy efficiency at the rolling stock level, excluding losses in the electric power supply network. Based on a literature study, parameters of interest describing driver, operations and rolling stock energy efficiency have been identified. By means of simulation, a parametric study is performed, simulating a 30 ton axle load iron ore train with 68 wagons. Train modelling input is obtained from technical documentation or estimated through measurements and statistical analysis. A multi-particle representation of the train is used to calculate gradient resistance for the simulation, which is also applied to determine the curve resistance.  Results show that the motion resistance is simulated quite accurately, while the lack of a driver model in the simulation tool leads to overestimation of energy consumption. Taking this into account, the importance of the driver for energy efficiency can still clearly be showcased in the parametric study. Especially on long steep downhill sections, prioritising the electric brakes over mechanical brakes is demonstrated to have a huge influence on net energy consumption, as has the amount of coasting applied. With the same driver behaviour in all simulations, the savings in specific energy from increasing axle load to 32.5 tons is estimated. Moreover, a comparison of increased train length and axle load points towards higher savings for the latter. In the end, parametric study results are used to recommend a structure for a monitoring system of energy efficiency based on a set of KPIs. With a sufficiently high sampling rate of energy meter data, it is adequate for calculating driver related KPIs and some additional KPIs. More KPIs can be tracked with access to additional data, e.g. cargo load. / I detta examensarbete undersöks vilka parametrar som är relevanta för att beskriva energiförbrukning för tunga godståg och hur dessa kan nyttjas för att utveckla nyckeltal för energieffektivitet. Antalet möjliga nyckeltal avgränsas till sådana som kan beräknas med data från elmätare som används i elektriska littera IORE lok som drar tunga malmtåg i norra Sverige. Vidare så tar analysen endast hänsyn till energieffektivitet för rullande materiel, vilket utesluter förluster i elektriska kraftmatningsnätet. Baserad på en litteraturstudie har relevanta parametrar som beskriver förare, drift och rullande materiel identifierats. Med hjälp av simuleringar av ett malmtåg med 30 tons axellast och 68 vagnar så utförs en parameterstudie. Indata för tågmodelleringen erhålls från teknisk dokumentation respektive uppskattas genom mätningar och statistisk analys. En representation av tåget som flertalet partiklar tillämpas i simulering för att beräkna lutningsmotståndet. Dessutom används densamma för att ta fram kurvmotståndet. Resultaten visar att gångmotstånd simuleras ganska exakt, medan avsaknad av en förarmodell i simuleringsvertyget leder till överskattad energiförbrukning. Med hänsyn tagen till detta så kan betydelsen av föraren för energieffektivitet fortfarande påvisas mycket tydligt i parameterstudien. I synnerhet i långa branta nedförsbackar har prioritering av den elektriska bromsen framför den mekaniska bromsen mycket stor påverkan på nettoenergiförbrukningen, likaväl som hur mycket tåget frirullar. Med samma förarbeteende i samtliga simuleringar har besparingar i specifik energiförbrukning kunnat uppskattats för en ökning av axellasten till 32,5 ton. Dessutom pekar en jämförelse av ökad tåglängd och axellast mot att sistnämnda ger större besparingar. Slutligen så har resultaten från parameterstudien nyttjats för att rekommendera en struktur för ett uppföljningssystem av energieffektivitet baserad på en uppsättning av nyckeltal. Med tillräckligt hög samplingsfrekvens på data från elmätare är den adekvat för att beräkna vissa nyckeltal, framförallt relaterad till förare. Fler nyckeltal kan följas upp med mer tillgänglig data så som lastvikter.

Batterimodeller används för att representera batterier. För ändamål som batterihanteringssystem används idag främst empiriska modeller som representerar ett batteri med en motsvarande kretsmodell. Några nackdelar för dessa modeller ligger i dess oförmåga att simulera interna tillstånd och en tidskrävande parametriseringsprocess. Dessa nackdelar motiverar ingenjörer att vända sig till modeller som är baserade på fysiska lagar som ett alternativ eftersom de kan ge insikt i vad som händer inuti batteriet. Batterimodellerna som är baserade på de fysiska lagarna har alltför krävande beräkningar för att kunna användas för vissa applikationer, som batterihanteringssystem. Singel-partikelmodellen (SPM) är en fysikbaserad modell som används i detta avhandlingsprojekt. Syftet med projektet var att hitta en metod för att parametrisera SPM för nya kommersiella cylindriska HTPFR18650 1100mAh 3.2V litiumjärnfosfatceller. En litteraturundersökning och experiment användes för att extrahera parametervärdena. 17 parametrar valdes från litteraturundersökningen eftersom de kunde användas för att parametrisera modellen. Geometriska parametrar hittades genom en cellöppning. Tre typer av icke-destruktiva experiment som var inspirerade av litteraturen utfördes för att extrahera värden för de andra icke-geometriska parametrarna. Ett cykeltest med låg strömhastighet utfördes för att få en pseudo-OCV-kurva och för att extrahera kapacitetsrelaterade parametrarna. En känslighetsanalys genomfördes för galvanostatisk intermittent titreringsteknik testet (GITT) och pulstestet för de parametrar som var kopplade till transportoch kinetiska fenomen. Python matematisk batterimodellering (PyBaMM) användes för att simulera experimenten. Parametersamlingen Prada 2013 användes som standardvärden. Standardvärdena för de valda parametrarna ersattes av de värden som hittades genom experiment. Känslighetsanalysen visade att några av de valda parametrarna var känsliga för experimenten medan andra inte var det. Parametrarna extraherades genom fysiska relationer och genom att anpassa parametervärde för simuleringen så att den passar den experimentella datan under urladdningsförloppet. Värden för 14 av de 17 parametrarna extraherades i metoden. Den parametriserade modellen validerades mot två potentiella applikationer, en för ett batterielfordon och den andra för ett mild-hybridfordon. Den parametriserade modellen visade att den negativa partikelradien inte kan hittas med den föreslagna parametriseringsmetoden. Simuleringen visade sig också matchade den experimentella datan bättre under urladdning av cellerna jämfört till uppladdning. Flera förbättringar för framtida arbete har föreslagits, såsom att utvidgning av känslighetsanalysen, att erhålla OCV-kurvan från GITT istället för att använda pseudo-OCVkurvan, att använda strängare gränser vid kurvanpassningarna samt att skapa mer optimala tester för att extrahera parametervärdena. / Battery models are used to represent batteries. For purposes like battery management systems, empirical based models like the equivalent circuit models are widely used. These models have downsides regarding for example inability to simulate internal states and parametrization time that make engineers look at physics-based models as an alternative. The physics-based models are made up of physical relationships that offer insights into what is happening inside the battery. These are too computationally demanding to be used for certain applications, like battery managements systems. The Single Particle Model (SPM) is a physics-based model that is utilized in this thesis project. The aim of the project is to find a method to parametrize the SPM for fresh commercial cylindrical HTPFR18650 1100mAh 3.2V lithium iron phosphate cells. Literature survey and experiments were used to extract the parameter values. 17 parameters were selected from the literature survey since they could be used to parametrize the model. Geometrical parameters were found through a cell opening. Three types of nondestructive experiments inspired by literature were performed to extract values for the other non-geometric parameters. A low-rate cycling test was performed to get pseudo-OCV curve and to extract capacity related parameters. A sensitivity analysis is done for the GITT and the Pulse test for the parameters that were connected to the transport and kinetic phenomena. Python mathematical battery modelling (PyBaMM) was used to simulate the experiments. The Prada 2013 parameter set was be used as default values. The default values for the selected parameters were replaced by the values found through experiments. The sensitivity analysis showed that some of the selected parameters were sensitive while others were not. The parameters were extracted through physical relations and through curve fitting procedures during discharge. Values for 14 out of the 17 parameters were extracted in the method. The parametrized model was validated against two potential applications, one for a battery electric vehicle and the other for a mild hybrid. The parametrized model showed that the negative particle radius cannot be found through the proposed parametrization procedure. The simulation matched the experimental data better for discharging cells than charging cells. Several improvements for future work have been suggested such as extending the sensitivity analysis, obtaining the OCV-curve from GITT instead of low-rate cycling, having stricter bounds for the curve fitting as well as creating more optimal tests to extract the parameter values.

Future sea level rise associated to global warming is one of the greatest societal and environmental challenges of tomorrow. A large part of the contribution comes from glaciers and ice sheets discharging ice and meltwater into the ocean and the recent worldwide increase is worrying. Future predictions of sea level rise try to encompass the complex processes of ice dynamics through glacier modelling but there are still large uncertainties due to the lack of observations or too coarse parameterisation, particularly for processes occurring at the glacier interfaces with the bed (sliding) and with the ocean (calving). This thesis focuses on modelling these processes from two marine-terminating glaciers in Svalbard, Kronebreen and Tunabreen. By inverting three years of high temporal resolution time-series of surface velocities on Kronebreen, basal properties are retrieved with the ice flow model Elmer/Ice in Paper I. Results suggest that surface melt during the summer greatly influences the dynamics of the following season and that sliding laws for such glaciers should be adapted to local and global processes changing in space and time. The subglacial drainage system, fed by the surface melt, is modelled in Paper II during two melting seasons. Results show different configurations of efficient and inefficient drainage systems between years and the importance of using a sliding law dependent on spatio-temporal changes in effective pressure. The interaction with the ocean is incorporated in Paper III by combining a series of models, including an ice flow model, a plume model and a particle model for discrete calving and compares the output with observations. Results show the importance of glacier geometry, sliding and undercutting on calving rate and location. However, more observations and analytic methods are needed. Time-lapse imagery placed in front of Tunabreen have been deployed and a method of automatic detection for iceberg calving is presented in Paper IV. Results show the influence of the rising plume in calving and the front destabilisation of the local neighbourhood.

L’enseignement de la science présente plusieurs lacunes : des lacunes en lien avec le contenu scolaire, les activités scolaires et la nature de la science. Qu’en est-il de l’enseignement de la science au Québec par rapport à ces lacunes ? Pour répondre à ces questions, nous avons assimilé l’enseignement de la science à l’enseignement de la modélisation. En effet, « faire la science » revient essentiellement à une activité de modélisation, les scientifiques passent la majorité du temps à construire, à tester, à réviser et à utiliser des modèles scientifiques. Il est important de souligner que cette activité permet, d’une part, de construire les connaissances scientifiques et, d’autre part, de comprendre la nature de la science. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d’analyser l’enseignement de la modélisation au Québec en vue de déterminer ses lacunes. Pour préciser cet objectif, nous avons choisi le cas particulier du modèle particulaire, car il est fondamental à l’univers matériel. Pour atteindre les objectifs de cette recherche, nous avons procédé en trois étapes. Dans la première étape, nous avons élaboré des critères de l’enseignement de la modélisation et de l’enseignement du modèle particulaire en s’appuyant sur plusieurs travaux de recherches effectués pour améliorer l’enseignement de la modélisation. Dans la deuxième étape, nous avons décrit l’enseignement de la modélisation tel que présenté dans le programme de formation au secondaire et l’enseignement du modèle particulaire tel que présenté dans le curriculum formel et auprès de certains enseignants. À la troisième étape, cette description a été analysée compte tenu des grilles élaborées à la première étape, ce qui a permis d’identifier plusieurs lacunes dans l’enseignement de la modélisation et l’enseignement du modèle particulaire. Parmi ces lacunes, nous avons relevé l’absence de construction des modèles par les élèves et l’absence du principe de différenciation entre la réalité et le modèle qui l’explique. Ces deux lacunes sont également présentes dans le cas du modèle particulaire. Les élèves ne sont pas amenés à le construire. Son utilisation est inexistante dans le programme de formation et dans la progression des apprentissages au premiers cycle, elle est ambiguë dans les manuels du premier cycle et partielle au deuxième cycle. Les activités qui lui sont associées sont essentiellement des activités de mémorisation et de compréhension des concepts. Ces activités, qui ne sont pas des activités de modélisation, ne permettent pas vraiment de « faire la science » ni de comprendre la nature des modèles et de la science en général. De plus, les énoncés du modèle particulaire sont partiels de sorte que le modèle particulaire ne semble pas une idée centrale à laquelle plusieurs concepts sont reliés. Ces derniers sont plutôt éclatés et décousus. Pour remédier à ces lacunes, plusieurs recommandations ont été proposées. / The teaching of science has several deficiencies : deficiencies related to content, activities and to the nature of science itself. What about the teaching of science in Quebec in relation to those deficiencies? To answer those questions, we have equated the teaching of science with the teaching of modeling. Indeed, "doing science" essentially amounts to a modeling activity. Scientists spend most of their time building, testing, revising and using scientific models. It is important to emphasize that this activity allows, on one hand, to build scientific knowledge and, on the other hand, to understand the nature of science. Thus, the objective of this thesis is to analyze the teaching of modeling in Quebec in order to determine its weaknesses. To clarify this objective, we have chosen the particular case of the particle model, because it is fundamental to the material universe. To achieve the objectives of this research, we proceed in three stages. In the first stage, we developed criteria for the teaching of modeling and the teaching of the particle model based on several research works carried out to improve the teaching of modeling. In the second stage, we described the teaching of modeling as presented in the training program and the teaching of the particular model as presented in the formal curriculum and with certain teachers. In the third stage, this description was analyzed taking into account the grids developed in the first stage, which made it possible to identify several weaknesses in the teaching of modeling and the teaching of the particle model. Among these shortcomings, we noted the absence of construction of the models by the pupils and the absence of the principle of differentiation between reality and the model which explains it. These two deficiencies are also present in the case of the particle model. The pupils do not have to build it. Its use is nonexistent in the training program and in the progression of learning in the first cycle. It is also ambiguous in the manuals of the first cycle and partial in the second cycle. The activities associated with it are essentially activities of memorizing and understanding concepts. These activities, which are not modeling activities, do not really make it possible to “do science” or to understand the nature of models and the nature of science in general. Furthermore, the statements of the particle model are partial so that the particle model does not seem to be a central idea to which several concepts are linked. The latter are rather fragmented and disjointed. To remedy these shortcomings, several recommendations have been proposed.

The thesis presents results of a numerical study on the performance of 3D discrete meso–scale lattice–particle model of concrete. The existing model was extended by introducing the spatial variability of chosen material parameter in form of random field. An experimental data from bending tests on notched and unnotched beams was exploited for the identification of model parameters as well as for the subsequent validation of its performance. With the basic and the extended randomized version of the model, numerical simulations were calculated so that the influence of the rate of fluctuation of the random field (governed by the correlation length) could be observed. The final part of the thesis describes the region in the beam active during the test in which the most of the fracture energy is released in terms of its size and shape. This region defines the strength of the whole member and as shown in the thesis, it does not have a constant size but it is influenced by the geometrical setup and the correlation length of the random field.

Utsläpp från bilar har spelat stor roll de senaste decennierna. Detta har lett till ökad användning av Otto gasmotorer som använder naturgas som bränsle. Nya motordesigner behöver optimeras för att förbättra motorens effektivitet. Ett effektivt sätt att göra detta på är genom användningen av simuleringar för att minska ledtiden i motorutvecklingen. Verifiering och validering av simuleringarna spelar stor roll för att bygga förtroende för och förutsägbarhet hos simuleringsresultaten. Syftet med detta examensarbete är att föreslå förbränningsmodellparametrarna efter utvärdering av olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller för Otto förbränning, vad gäller beräkningstid och noggrannhet. In-cylindertrycksspår från simulering och mätning jämförs för att hitta den bästa kombinationen av förbrännings- och tändmodell. Inverkan av tändtid, antal motorcykler och randvillkor för simuleringsresultatet studeras också. Resultaten visar att ECFM-förbränningsmodellen förutsäger simuleringsresultaten mer exakt när man jämför med mätningarna. Effekten av tändningstiden på olika kombinationer av förbrännings- och tändningsmodell utvärderas också. Stabiliteten hos olika förbränningssimuleringsmodeller diskuteras också under körning för fler motorcykler. Jämförelse av beräkningstid görs även för olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller. Resultaten visar också att flamspårningsmetoden med Euler är mer känslig för cellstorlek och kvalitet hos simuleringsnätet, jämfört med övriga studerade modeller. Rekommendationer och förslag ges om nät- och simulerings-inställningar för att prediktera förbränningen på ett så bra sätt som möjligt. Några möjliga förbättringsområden ges som framtida arbete för att förbättra noggrannheten i simuleringsresultaten. / Emission from automobiles has been gaining importance for past few decades. This has gained a lot of impetus in search for alternate fuels among the automotive manufacturers. This led to the increase usage of Otto gas engine which uses natural gas as fuel. New engine designs have to be optimized for improving the engine efficiency. This led to usage of virtual simulations for reducing the lead time in the engine development. The verification and validation of actual phenomenon in the virtual simulations with respect to the physical measurements was quite important.  The aim of this master thesis is to suggest the combustion model parameters after evaluating various combination of combustion and ignition models in terms of computational time and accuracy. In-cylinder pressure trace from the simulation is compared with the measurement in order to find the nest suited combination of combustion and ignition models. The influence of ignition timing, number of engine cycles and boundary conditions on the simulation results are also studied. Results showed that ECFM combustion model predicts the simulation results more accurately when compare to the measurements. Impact of ignition timing on various combination of combustion and ignition model is also assessed. Stability of various combustion simulation models is also discussed while running for more engine cycles. Comparison of computational time is also made for various combination of combustion and ignition models. Results also showed that the flame tracking method using Euler is dependent on the mesh resolution and the mesh quality.  Recommendations and suggestions are given about the mesh and simulation settings for predicting the combustion simulation accurately. Some possible areas of improvement are given as future work for improving the accuracy of the simulation results.

The rate of degradation of a lithium-ion battery depends on its use i.e. how it is charged and discharged. Physics-based models are used to represent the processes inside a cell as well as the degradation mechanisms. This thesis aimed to compare how the battery lifetime is affected when charging with different charging protocols using different battery models and degradation mechanisms. The investigated models are the Single Particle Model (SPM), the Single Particle Model with electrolyte (SPMe), and the Doyle-Fuller Newman model (DFN). The degradation mechanisms are solid electrolyte interphase (SEI), and lithium plating (LP). The used charging protocols are constant-current constant voltage(CCCV), positive pulsed current (PPC), and constant current (CC). Pulsed charging was included to investigate if the battery lifetime can be improved as in an experiment by Huang where pulsed charging increased the battery lifetime by 60%. To perform the simulations using the physics-based models, PyBaMM (PythonBattery Mathematical Modeling) was used. The simulations were performed for a lithium cobalt oxide (LCO) cell. Two types of SEI were implemented, solvent-diffusion limited and reaction limited. For the LP only irreversible LP was used.1200 cycles were simulated. Comparing the PPC and CC protocols, there were no significant changes between the degradation mechanisms for the different protocols. The results were the same for all the models, except for the results of the internal resistance. The conclusion is that for the PPC and CC protocols, the cell degrades the same although the PPC protocol used twice the C-rate. The PPC charging did not increase the battery lifetime. For the CCCV and CC protocols, there were some bigger differences between the protocols, but between the different models, there weren’t any significant differences. The CCCV degrades the cell faster for all degradation mechanisms and all models. Simulating one degradation submodel at a time resulted in a very small capacity fade for some submodels. Therefore, for future work, it is suggested to use several degradation submodels at the same time but also to try other degradation mechanisms or try PPC protocols with different frequencies and duty cycles. / Hur snabbt litiumjonbatterier degraderas beror på hur de används, laddas och laddas ur. Fysikbaserde modeller används för att representera processerna inuti cellen och även degraderingsmekanismerna. Denna studie har genomförts för att undersöka hur batteriets livslängd påverkas av olika laddningsprotokoll genom att använda olika batterimodeller och degraderingsmekanismer. Modellerna som användes är Singel-partikelmodellen (SPM), Singel-partikelmodellen med elektrolyt (SPMe) och Doyle-Fuller Newman-modellen (DFN). Degraderingsmekanismerna är fast elektrolytinterfas (SEI) och litiumplätering (LP). Laddningsprotokollen som användes är konstant ström konstant spänning (CCCV), positiv pulserande ström (PPC) och konstant ström konstant (CC). Protokollet för pulsad laddning inkluderades för att undersöka om batteriets livslängd kan förbättras som i ett experiment av Huang, där pulsad laddning ökade batteriets livslängdmed 60%. För att utföra simuleringar med fysikbaserade modeller användes PyBaMM(Pyhton Battery Mathematical Modeling). Simuleringarna utfördes för en lithiumkobaltoxid-cell (LCO). Två typer av SEI implementerades, lösningsmedelsdiffusion-begränsad och reaktions-begränsad SEI. För LP användes endast irreversibel LP.1200 cykler simulerades. Jämförande PPC- och CC-protokollen fanns det inga signifikanta förändringar mellan degraderingsmekanismerna för de olika protokollen. Resultaten vardesamma för alla modellerna, förutom resultaten av den interna resistansen. Slutsatsen är att för både PPC- och CC-protokollen så degraderades cellen på samma sätt, trots att PPC-protokollet använde dubbelt så hög C-faktor. PPC-protokollet ökade inte batteriets livslängd. För CCCV- och CC-protokollen fanns det några större skillnader mellan protokollen, men mellan de olika modellerna fanns det inga signifikanta skillnader. CCCV-protokollet försämrade cellen snabbare för alla degraderingsmekanismer och alla modeller. Att simulera en degraderingsmodell i taget resulterade i mycket små kapacitetsförluster. Därmed föreslås det att i framtida arbete använda flera degraderingsmodeller samtidigt men även testa andra degraderingsmekanismer eller PPC-protokoll med olika frekvenser och arbetscykler