Over the last few years Norway has seen an increasing number of hours where the grid frequency exceeds the required limits (49.9-50.1Hz). To improve this situation one alternative is to implement hydropower governing with quicker response time. However, long conduits and oscillatory flow set strict requirements to the hydropower system stability and turbo set governing. This thesis establishes a simulation program based on the structure matrix method for stability analysis of hydropower systems. The method is implemented in a Matlab program to study the oscillatory flow in the frequency domain. Implementation of frictional influence, turbine characteristics, and alternative governing has been given special attention. The program is validated through comparison with measurements and previous analysis at Kongsvinger and Tafjord power plants. The program simulations generally compare well with physical dynamics of the two systems. Further a stability analysis of speed governing at Aldal power plant has been performed. Finally some alternative control systems are discussed.

The purpose of this thesis is to highlight some of the areas of interest when it comes to wind tunnel experimenting of offshore platforms regarding stability concerns such as critical angles and wind overturning moment. Some important factors include design of tower geometry, the effect of surface roughness on drag, methods of calculating blockage corrections of wall interference and the generation of an atmospheric boundary layer to resemble full-scale conditions. Data obtained from wind tunnel experiments with two different models have been compared and discussed according to the areas of interest as mentioned above. Testing of platforms was done at NTNU with a six-component balance, measuring forces of drag, side and lift and moment of pitch, roll and yaw with increments of 10° the whole 360° to account for wind coming from all directions. Two geometries were tested for the tower members, one with a circular cross-section which was smaller than scale and another with a square cross-section in correct scale. There was noticeable change in both global forces and moments. Blockage corrections caused by wall interference were researched from different sources and reviewed, and it was apparent that it is still an area with lots of uncertainty. Consensus was that and area ratio of maximum 0.10 should be abided in any case and that the simplified method of Pope is widely used. An atmospheric boundary layer was simulated at NTNU using trial-and-error and the validity of this was confirmed by comparing experimental data with theoretical data regarding the velocity profile, turbulence intensity and energy spectrum. For the experiments of surface roughness on an individual circular cylinder and the corresponding change in drag, a simple three-component balance was used. The cylinder represents the platform legs. Two types of surface roughness were tested, first a plain wooden surface and then with a layer of coarse sand applied to the whole surface. It was seen that the rougher surface provoked an earlier transition to a turbulent boundary layer, causing an earlier drop in drag which is a better fit to estimated full-scale characteristics.Finally, the element that contributes most to the inaccuracy of the experiments is shown to be the difficulty of geometric similarity. Further investigation is needed.

Reduction of the energy used to acclimatise buildings is a huge challenge simultaneously with the implementation of air tight low energy buildings. In residential buildings with several living units centralised air handling units are the most energy efficient system. However, in a centralised system there is important to avoid leakages of pollutions between the exhaust air and the supply air. This leads to that flat plate heat exchangers are used instead of the more energy efficient rotary heat exchanger in these types of buildings. Flat plate heat exchangers will have problems concerning water condensation and frost formation in the exhaust air channels at low supply inlet temperatures. In this thesis a membrane based heat exchanger, which also was able to transfer moisture, was compared to a plastic based heat exchanger to see if the membrane based exchanger had less problems concerning condensation and freezing. In addition a mathematical method was derived to predict the heat and moisture transfer effectiveness in a membrane based heat exchanger.To compare the different heat exchanger plate materials a test rig was built in the laboratory at the Department of Energy and Process Engineering at NTNU. The experiments showed that the plastic based heat exchangers had problems with condensation and freezing in the tested conditions. The membrane based exchanger did not experience the same problems. However, additional problems with expansion of the membrane in high humidity showed that the tested membrane had drawbacks and was not really suitable.The derived mathematical method to predict the moisture transfer effectiveness was shown to correlate very well with the experimental results. The derived method and the developed Microsoft Excel tool called HXcalc may then be used to investigate other membranes moisture transfer effectiveness.

I denne hovedoppgaven har slippstrømninger generert av sirkulære sylindre og to typer elliptiske varmeveksler - rør blitt undersøkt. Målet med arbeidet har vært å beskrive virvelavløsningsfenomener på elliptiske varmeveksler - rør i håp om å kunne belyse innvirkningene dette fenomenet har i forbindelse med støy-, og vibrasjonsproblematikk i en varmeveksler utviklet ved NTNU i samarbeid med Norsk Hydro. Studiet har blitt gjort gjennom eksperimenter i vindtunnel ved Strømningsteknisk laboratorium ved Institutt for energi-, og prosessteknikk under veiledning av Professor Lars Roar Sætran. Forsøkene som har blitt gjennomført innbefatter målinger av turbulente hastighetsfelt og virvelavløsningsfrekvenser med hetetrådsanemometer. Måling av gjennomsnittshastigheter med pitotrør har også blitt gjennomført. Resultater fra målingene har vist at Strouhal - tallet for den ene typen elliptiske varmeveksler -rør har en verdi på 0.2 for Reynolds - tall i området $3.8 cdot 10^3$ til $2.38 cdot 10^4$, hvor den karakteristiske lengden i Strouhal - tallet og Reynolds - tallet er definert som to ganger den lille halvaksen til det elliptiske røret. Ingen periodiske virvelavløsninger ble detektert for den andre typen varmeveksler - rør. Det ble konkludert med at virvelavløsningene fra den ene typen elliptiske varmeveksler - rør genererer dynamiske krefter som har samme frekvens som de observerte vibrasjonene fra varmeveksleren der rør av denne typen er installert. Dette tilsier at virvelinduserte krefter er involvert i dannelsen av vibrasjoner og støy i varmeveksleren.

Komponenter innen smelteverksindustrien utsettes for ekstreme varmeflukser og temperaturforhold, og må derfor kjøles for å unngå nedsmelting av konstruksjonsmaterialet. I forbindelse med kjøling av overflater er det vanlig og benytte serpentinmønster for å effektivt kjøle hele overflaten. Serpentinmønsteret er oppbygd av en rette kanaler og tilhørende skarpe 180° bend for å snu vannstrømmen. I disse 180° bendene oppstår ett strømningsmønster som er særs lite jevnfordelt, både med hensyn på strømningshastigheter og varmeovergang. Variasjonene i varmeovergangen skaper temperaturgradienter i konstruksjonsmaterialet og disse kan over tid skape skjørhet i materialet og brudd i konstruksjonen.På bakgrunn av dette er det i denne oppgaven utført numeriske simuleringer av strømnings, varmeovergangs og temperaturforhold i skarpe 180° bend. De numeriske beregningene er utført med programvaren COMSOL Multiphysics som benytter seg av Finite Element Method. Beregningene er gjort med RANS likningene og k-ω turbulensmodellen for strømning, og energilikningen og Kays-Crawford modellen for varme. Innledningsvis er den numeriske modellen validert opp mot publiserte målte resultater. Valideringen består av både en sammenligning av hastighetsprofiler i utløpskanalen og en sammenligning av strømningsmønsteret generelt i bendet. Sammenligningen av hastighetsprofilene ga ingen absolutt overenstemmelse, trolig på bakgrunn av for unøyaktige turbulensmodeller. Derimot ga simuleringene meget god resultater ved sammenligningen av strømningsmønsteret og det ble besluttet av simuleringene skulle videreføres. Oppgavens formål er å utjevne strømningshastigheter og varmeovergangen i de skarpe bendene, og tiltakene som ble foreslått i forprosjektet er simulert numeriske her. Tiltakene omfatter flere typer av ledeplater i bendet i tillegg til lekkasjespalter mellom tilstøtende bend. Ledeplatene ble vurdert fra de simulerte strømningsresultatene, og de viste seg her at de forlengede ledeplatene ga både minst separasjonssone og en hastighetsøkning i bendet hjørner. En ledeplate med rett forlengelse nedover utløpskanalen ble utvalgt som den beste og tatt videre til også å inkludere lekkasjespalter. Det ble sett på strømningsresultatene for tre forskjellige plasseringer av ledeplaten i samhandling med lekkasjespaltene. Videre ble det simulert varmeovergang og temperaturforhold for ett skarpt bend uten tiltak, med ledeplate og med ledeplate og lekkasjespalter. Fra disse simuleringene ble det beregnet lokale fluidtemperaturer, temperaturer i konstruksjonsmaterialet og varmeovergangskoeffisient. Resultatene viser tydelige områder med høyere temperatur både i bendets hjørner og i separasjonssonen for basecaset. Ved bruk av ledeplate er disse sonene mye bedre kjølt, men en temperaturøkning registreres på ledeplatens innside. Med ledeplate og lekkasjespalter i bendet er temperaturforholdene enda mer jevnfordelt. Som en absolutt sikkerhet mot koking inne i elektrodeskjoldet er det beregnet nødvendig massestrøm for å kjøle veggtemperaturen under fluidets metningstemperatur for de tre overnevnte casene. Denne modellen er basert på det laveste varmeovergangstallet i bendet og gir en reduksjon av nødvendig massestrøm på 29 % for ledeplate jamfør ingen tiltak. Med lekkasjespalter og ledeplate kan massestrømmen reduseres med 31 %. Det er anbefalt ledeplaten alene som tiltak på bakgrunn av det høye trykktapet skapt av lekkasjespaltene.

I løpet av 2005-2006 ble det installert en ny kombinert varmepumpe/kjølemaskin i Kongsberg Teknologipark. Den kombinerte varmepumpen/kjølemaskinen er et totrinns ammoniakkanlegg som har som formål å levere prosesskjøling til Volvo Aero Norge (VAN) og FMC Technologies (FMC), som har produksjons- og testlokaler inne i teknologiparken. I tillegg leverer varmepumpen varme til Kongsberg Teknologiparks interne fjernvarmeanlegg. Dimensjonerende kjøleytelse og varmeeffekt er henholdsvis 1600 kW og 2200 kW. Anlegget er bygget med et akkumuleringsbasseng for å akkumulere kaldt vann med hensikt å utjevne de tidvis store effektuttakene hos VAN. Temperatursjiktning i akkumuleringsbassenget er ønskelig, slik at varmt vann til fordamperen kan hentes fra toppen av bassenget, og kaldt vann til prosesskjølingen kan hentes fra bunnen av bassenget. Det har imidlertid vist seg at sjiktningen i bassenget er dårlig.Formålet med masteroppgaven har blant annet vært å kartlegge energi- og væskestrømmer inn og ut av akkumuleringstanken, for å undersøke om sjiktningsproblemet skyldes stor væskeomrøring på grunn av store væskemengder inn og ut av bassenget. Det har også blitt utarbeidet et måleopplegg og en målerigg for temperaturmålinger i bassenget, og målinger har blitt gjennomført. I tillegg har det blitt gjennomført en analyse av både prosess og konsekvenser av effektvariasjoner i anlegget, og en analyse av og beregninger på foreslåtte tiltak for optimalisering av akkumuleringsbassenget med tanke på energigjenvinning. Hovedfokus er satt på den kalde siden av anlegget og akkumuleringsbassenget.Både Kongsbergs og egne målinger verifiserer sjiktningsproblemet ved at det er observert liten temperaturdifferanse mellom topp og bunn i akkumuleringsbassenget. En sammenligning av temperaturmålinger og målinger av væskestrømmen i bassenget har vist at sjiktning ikke oppnås, selv ved den minste målte væskestrøm på 169 m3/h. Om sjiktning skal forekomme må følgelig væskestrømmen senkes under dette nivået.Analysen av prosessen over måleperioden viser at det fra et prosesskjølings-perspektiv bør tilstrebes å holde kjølekapasiteten høyere enn effektuttaket til prosesskjølingen til enhver tid, og dermed opprettholde en jevn turtemperatur til prosesskjølingen. Dette for å unngå unødvendig store væskestrømmer som blir resultatet av en høy turtemperatur. Fra et energioptimerings-perspektiv ønskes på sin side så varmt vann som mulig inn på fordamperen, og så lav temperatur som mulig i fjernvarmekretsen, ettersom dette gir den beste energifaktoren, grunnet lavt trykkforhold.Det bør derfor gjøres modifikasjoner på akkumuleringsbassenget for å optimalisere temperaturene til fordamperen og prosesskjølingen, enten ved å fysisk skille kaldt og varmt vann, eller gjennom å muliggjøre sjiktning ved omkobling av rør i akkumuleringsbassenget slik at de store væskestrømmene i bassenget vil reduseres. En løsning der energifaktoren forbedres med 10,5 % er foreslått.

Natural gas is a vital component of the worlds’ supply of energy. In Norway all the gas can be found offshore where it needs to processed before transport. A vital part of the processing is gas and liquid separation. Current gas-liquid separators are big and expensive, and the offshore industry is looking for more compact separators. One of the more prominent technologies is the NNNGLseparator developed at NTNU. To further identify its possibilities, a thorough research program has been startedIn this thesis one-dimensional models describing pressure drop and separation performance of the NTNU Natural Gas Liquid Separator (NNGLseparator) for dispersed gas-liquid flows has been studied. Here modeling of separation performance was divided into cyclonic separation and droplet capture by the meshpad, and then combined in sequence. The droplet capture is assumed to occur before cyclonic separation.To analyze the impact of centrifugal force on droplet capture, the force was included in a previous proposed model describing droplet capture by a single fiber in the meshpad. With this as basis, modeling of total droplet capture for the meshpad was analyzed. Through this analysis we proposed an extension on the existing model for the case of the flow not following the rotation of the meshpad. The droplets that are not captured are then separated through cyclonic separation. To model this separation mechanism, a modified time of flight model was developed. The modification includes the mesh porosity, and a - factor describing the droplet’s reduced radial velocity due to the obstructing meshpad.Existing models for pressure drop across fixed porous media were compared to experimental data to identify which model best applies to the meshpad used in the NNGLseparator. How this model performs in describing a rotating porous media was then analyzed for the two scenarios; fully developed flow before mesh entry and developing flow inside a rotating meshpad. Through this analysis an extension to the pressure drop model was proposed, which includes the tangential velocity difference between rotating mesh and gas flow. A previous proposed model for pressure drop across wet mesh pad was reviewed. This led to a discussion on how liquid hold up differs in the NNGLseparator from conventional fixed meshpads. The proposed one-dimensional models were then analyzed through a parametric study of the separator performance in terms of pressure drop and efficiency of droplet separation for different flow conditions and geometries.

An investigation of the turbulent fluctuating kinetic energy dissipation in low Reynolds number channel flow is made, both analytically and numerically with means of Direct Numerical Simulation (DNS). The unsteady Navier-Stokes equations are solved at a Reynolds number of 360, based on the shear velocity and channel height, for four grid resolutions 48^3, 88^3, 128^3 and 192^3. The results are compared with data from Kim et al. (1987) [9], and good agreement is found for the 192^3 grid resolution.The viscous term in the kinetic energy equation is derived and described, from there the “isotropic” dissipation equation is shown to be the homogeneous dissipation equation which is compared with the thermodynamically correct dissipation. The results are in agreement with the findings of Bradshaw and Perot (1993) [2], with a difference of maximum ≈2.5% from the correct dissipation.The isotropic dissipation, often used as approximation in experiments, is also calculated and compared with the homogeneous dissipation. The results are un- surprisingly poor, and are only in agreement about the centerline. A comparison with an equation from the k-ε-model is also made, most as a curiosity, and also shows poor agreement.The Kolmogorov length scale is calculated from the dissipation, and it shows clear grid dependency even though the grid is smaller than the Kolmogorov length scale in the z-direction with max(∆z+/η+) = 0.8. The dissipation of the Reynolds stress components are used to create Kolmogorov length scales in x, y and z-direction. They are also grid dependent, even though max(∆z+/η+ ) ≈ 0.7. A length scale tensor analogous to the Kolmogorov length scale is proposed. It is based on the connection between the Reynolds stress equation and the turbulent fluctuating kinetic energy equation. It relaxes the grid restrictions compared to the Kolmogorov length scale, but investigation of its validity requires simulations with a super computer and is therefore not performed.

Hydrogenlagring er en nøkkelteknologi for etablering av en hydrogenøkonomi. Adsorpsjon er en av hydrogenlagringsteknologiene som for tiden utforskes sammen med hydrogen lagret som komprimert gass, væske, og i metallhydrider. Omfanget av denne oppgaven har vært eksergianalyse og utvikling av eksergilikninger for hydrogenlagring ved adsorpsjon ved kryogen temperatur. Eksergianalyse utført på kryo-adsorpsjonssystem er i hovedsak basert på det eksperimentelle oppsettet til Aleksic (2010) utført på NTNU.Fundamental informasjon om adsorpsjonssystemene er representert av adsorpsjonsisotermer. Disse viser lagringskapasitet til et adsorbent ved konstant temperatur som funksjon av trykk. I dette arbeidet er adsorpsjonsisotermer modellert med Langmuir og Sips likning med tilhørende parametere tilpasset etter eksperimentell data gitt av Aleksic (2010) og Paggiaro (2008) for adsorpsjonslikevekt ved utvalgte temperaturer og trykk. Modellene med Sips likning viser god overenstemmelse med eksperimentell data, og med prinsippene fra løsningstermodynamikk har adsorpsjonssystemet blitt beskrevet termodynamisk, med massebalanser, energibalanser og eksergibalanser. Oppgaven kan deles opp i tre deler. I den første delen er det introdusert relevant informasjon om utvalgte hydrogenlagringsteknologier og termodynamikk tilhørende adsorpsjon, inkludert adsorpsjonsisotermer for relevante adsorbenter. I den neste delen er det utledet termodynamiske likninger for masse-, energi- og eksergibalanser for kryo-adsorpsjonslagringssystem og kryo-kompresjonslagringssystem. Oppgaven avsluttes med et kapittel som inneholder fire eksergianalyser. I den første analysen studeres ekserginivå i adsorpsjonssystem mot utvalgte teknologier, og i den neste analysen studeres eksergibidrag i oppsettet til Aleksic (2010) i forhold til et kryo-kompresjonssystem ved tilsvarende trykk og temperatur. Den tredje analysen er utført av oppsettet til Aleksic (2010) ved fylling og tapping, og sammenlignet med kryo-kompresjonslagringssystem operert ved tilsvarende tilstander. Kapittelet avsluttes med analyse av lagring av hydrogen i kryo-adsorpsjonsbeholder, analysert med utgangspunkt i temperatur-, trykk- og masse-utvikling ved lagring hentet fra arbeidet til Paggiaro (2008). Analysen er beriket med sammenligning av andre lagringsmetoder ved samme operasjonsforhold: en lavtrykkstank med flytende hydrogen og en høytrykkstank fylt med enten flytende hydrogen eller komprimert hydrogengass ved 80 K.Teknologien for adsorpsjonslagring av hydrogen er på et eksperimentelt stadium, og har vist seg gjennomførbar. Teknologien har fordel av operasjon ved lavt trykk (typisk 20-30 bar) i forhold til kompresjonssystemer (300 – 700 bar), og oppnår likevel sammenlignbar volumetrisk og gravimetrisk lagringskapasitet. Teknologien er likevel langt fra å oppnå hydrogenlagringskravene fra U.S DoE for 2015. Dette er også tilfellet for de andre hydrogenlagringsmetodene som er under utvikling: komprimert gass, hydrogen som væske og hydrogen lagret i metallhydrider. Enkle forbedringer i disse teknologiene ser ikke ut til å føre til at kravene nåes. Adsorpsjonssystemet har i tillegg andre karakteristikker som kan hindre kommersialisering av teknologien (Paggiaro 2008), og som vil bli diskutert i oppgaven. Eksergianalyseresultatene viste at i adsorpsjonslagringsystemer består den totale eksergimengde i hovedsak av kjemiske eksergi og omtrent 7–10 % termomekanisk eksergi. Den termomekaniske eksergien kan delvis utvinnes ved installasjon av turbin for utnyttelse av trykket i beholderen. Resterende termomekanisk eksergi kan teoretisk utvinnes ved en varmekraftmaskin som benytter beholderen som kuldereservoar og omgivelsene som varmereservoar. Ved implementering av slike systemer er det av viktighet å minimere økningen av systemets kompleksitet som helhet, som kan vise seg vanskelig. Derfor mener forfatteren at det er ønskelig å minimere termomekanisk eksergi i lagringssystemet og maksimere den kjemiske eksergien. Kjemisk eksergi er direkte avhengig av mengde hydrogengass lagret i systemet, og derfor er teknologiens lagringskapasitet viktigste parameter for å maksimere det kjemiske eksergiinnholdet. Lagringskapasitet i adsorpsjonssystem viste seg å være sterkt temperaturavhengig. Ved en temperaturøkning på 20 grader (fra 77-97 K) faller lagringsevnen i oppsettet til Aleksic med adsorbent Cu-BTC og NORIT R0.8 med omtrent 21 % ved 2 MPa. Det ble utført eksergianalyser av fylle- og tappeprosesser med utgangspunkt i eksperimentell data fra oppsettet til Aleksic (2010) med adsorbent NORIT R0.8. Ved fylling viser utregningene et tap i lagringskapasitet på 15,1 % grunnet generasjon av varme i prosessen. Ved endt tappeprosess er 59,0 % av den opprinnelige hydrogenmengden igjen i lagringstanken, grunnet mangel på intern varmekilde. Forslag til forbedringer er foreslått i oppgavens avsluttende kapittel.Eksergianalyse er utført av hydrogenlagring i kryo-adsorpsjonssystem over tid og sammenlignet med lagring i utvalgte alternative lagringsbeholdere. Resultatene viser at varmelekkasje inn i tankene som er undersøkt fører til trykkøkning i samtlige tanker og ventilering av hydrogengass. Adsorpsjonsbeholderen viste tilsvarende, og noe høyere ventileringsrate av hydrogen enn høytrykksbeholderen med komprimert hydrogen. Beholderen som viste best lagringsevne var høytrykksbeholderen fylt med flytende hydrogen.

Since the first Total Hip Arthroplasty (THA) performed in the 60's, it has been regarded among the most successful surgical procedures. When an un-cemented hip prosthesis is employed, the prosthesis is impacted into a prepared cavity in the femur. This surgical technique is known as impact bone grafting and is commonly used in THA. The stability of the prosthesis immediately after surgery is denoted primary stability.Numerical analyses of primary stability, often assume the forces applied during impact grafting to be lower than those present during routine activity. The magnitude of the forces applied during impact grafting is regarded a point of uncertainty, questioning this assumption. As the forces applied during impact grafting are equalized by frictional and contact forces, frictional characteristics present between prosthesis and femur could influence the primary stability of the prosthesis. The influence of grafting force magnitude and frictional characteristics on primary stability is investigated in this thesis. A study of scientific publications on primary stability was performed, forming the basis for the further analyses. External loads, mechanical properties and recommended practice with regard to numerical analysis of THA, were based on findings from this literature study.The performed analyses are purely numerical, using state of the art finite element software. The numerical model's response is verified, but as no experimental results are available on the particular geometry, validation is difficult. Two parametric studies were performed, investigating the influence of the impaction force magnitude and friction characteristics on micro motion.The friction coefficient was found to influence the primary stability of the prosthesis. An intermediate friction coefficient yielded the highest stability, with the same loads applied in all cases. Based on this finding, the influence of prosthesis-bone interface lubrication was investigated. A preliminary reduced friction coefficient during impact grafting yielded an enhanced primary stability, motivating further investigation of the concept. The magnitude of the impaction force was found to influence the primary stability of the prosthesis. An increased force magnitude above 240% of the patient bodyweight yielded an enhanced primary stability. This finding motivates a further investigation of the force magnitudes present during surgery.In order to extend the numerical model to include non-linear friction characteristics, a subroutine is proposed. The friction model's behavior is verified in this thesis, but further implementation is required.