When it comes to design a wind turbine rotor, several parameters have to be taken into account. The present work focuses on the inclination of the blades with respect to the rotor plane, namely the pich angle. The main goal of the project was to design a small-scale wind turbine rotor for wind tunnel tests and in this thesis the optimization of a first prototype is presented. The characterization of the performances was carried out by coupling two different approaches: an experimental and a numerical one. For the experimental part, a proper setup was built and the wind turbine model was tested in a wind tunnel. The results were compared with a Blade Element Momentum theory code developed in Python, that involved also CFD simulations to assess the aerodynamic properties of the blade sections. The analysis characterized the performances at variable collective pitch in terms of power and thrust coefficient, showing that the intitial blade design was not the optimal one. Therefore, the optimal pitch angle that maximize the power porduction was found for variable conditions. The second part of the experiments focused on the case of pitch unbalanced and the potential risks connected to it. As a result, the analysis demonstrated that any kind of pitch unbalance generates losses in the power production and may lead to a possible increase of the thrust. To compare the results, a modified BEM code was developed by assuming an axisymmetric axial induction factor. Finally, an additional analysis on the wind turbine oscillations was made, finding a connection between lateral vibrations and rotor unbalance and revealing the resonance frequency of the structure.

The interest towrds machine learning applied to turbulence has experienced a fast-paced growth in the last years. Thanks to deep-learning algorithms, flow-control stratigies have been designed, as well as tools to model and reproduce the most relevant turbulent features. In particular, the success of recurrent neural networks (RNNs) has been demonstrated in many recent studies and applications. The main objective of this project is to assess the capability of these networks to reproduce the temporal evolution of a minimal turbulent channel flow. We first obtain a data-driven model based on a modal decomposition in the Fourier domain (FFT-POD) on the time series sampled from the flow. This particular case of turbulent flow allows us to accurately simulate the most relevant coherent structures close to the wall. Long-short-term-memory (LSTM) networks and a Koopman-based framework (KNF) are trained to predict the temporal dynamics of the minimal channel flow modes. Tests with different configurations highlight the limits of the KNF method compared to the LSTM, given the complexity of the data-driven model. Long-term prediction for LSTM show excellent agreement from the statistical point of view, with errors below 2% for the best models. Furthermore, the analysis of the chaotic behaviour thorugh the use of the Lyapunov exponent and of the dynamic behaviour through Pointcaré maps emphasizes the ability of LSTM to reproduce the nature of turbulence. Alternative reduced-order models (ROMS), based on the identification of different turbulent structures, are explored and they continue to show a good potential in predicting the temporal dynamics of the minimal channel.

A new vortex model for wind turbines was developed in order to evaluate the loads at the blades and other important characteristics of interest for the wind industry such as power and thrust coefficients. Nowadays, the calculation of these quantaties is done in a reliable and precise manner with LES simulation using actuator line or actuator disk models. However, LES simulations are computationally heavy and the model here developed aims at calculating the same quantities of interest in less time but still giving reliable and accurate results for any wind turbine model. The idea of a vortex model for wind turbines was developed by Segalini & Aöfredsson, J. Fluid Mech., vol. 725, pages 91-116, 2013, using vortex filaments to reproduce the vorticity on the blades and in the wake. Nevertheless, that model had some limitations, among which, the main one, was the impossibility to simluate wind turbines with varying circulation along the blade, something that is always present in reality. With this thesis it is proposed a model based on the one of Segalini & Alfredsson (2013) but with the introduction of a vortex sheet that allows to simulate a vorticity release from the wind turbine blades and hence wind turbines with varying circulation along the blades. The model was validated against a LES simulation of the Tjaereborg wind turbine by Sarmast, KTH Royal Institute of Technology, 2014, that utilized an actuator line model. The results confirmed the improvement of the vortex model compared to the previous one of Segalini & Alfredsson (2013) and gave consistent results regarding the flow field at the rotor plane and the loads on the blades.

Due to legislative reasons and environmental concerns the automotive and transport sector are shifting their focus from traditional internal combustion engine (ICE) vehicles to development of battery electric vehicles (BEVs). This brings new challanges to design of cooling systems where axial fans are one of the key components. Axial fans are usually designed with regards to a certain operating condition and outside this region the efficiency of the fan drops drastically. Due to difficulty in specifying the exact operational parameters when placed in a car, post-design optimization may be necessary to ensure maximized performance. This thesis focuses on fan blade shape optimization through mesh morphing using the surrogate based optimization algorithm called Efficient Global Optimization (EGO). The target fans was a 9 bladed prototype fan by Johnson Electric with uneven blade spacing. The optimization uses steady state Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations to evaluate the fan designs and a Bezier curve parametrization in order to change the fan blade shape together with mesh morphing. The simulation setup was evaluated before peceding with the optimization, and showed good agreement close to intended operational conditions. Differences in turbulence modeling treatments were also evaluated in order to have a satisfactory agreement with measurement data. The EGO algorithm manages to provide fan designs with higher total-to-static efficiency at several different operational conditions. Evaluation of the optimized fan designs was limited to comparison with the provided measurement data and corrensponding simulations. Acoustic evaluation of selected fan designs is also attemped, but further work is required in order for the study to result in a quantitative comparison. / På grund av lagstiftning och miljöpåverkan har bil- och transportindustrin börjat skifta fokus från traditionella förbränningsfordon till utveckling av batteridrivna elbilar. Med detta medföljer nya utmaningar kring kylsystemsdesign där axiella fläktar är en av huvudkomponenterna hos systemet. Axiella fläktar är vanligtvis designade kring ett specifikt drifttillstånd och utanför detta har fläkten avsevärt lägre verkningsgrad. På grund av svårigheter att specificera detta drifttillstånd med hög precision, speciellt när fläkten monteras i en bil, kan efterdesigns-optimering vara nödvändigt för att uppnå maximal prestanda. Denna avhandling fokuserar på form-optimering av fläkt via mesh morphing med hjälp av den surrogat-baserade optimeringsalgoritmen Efficient Global Optimization (EGO). Fläkten som optimerades var en prototypfläkt designad av Johnson Electric med 9 fläktblad och icke-symmetriska mellanrum mellan bladen. I optimeringsprocessen användes icke-tidsberoende Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simuleringar för att utvärdera fläktdesignerna och parametrisering med hjälp av Bezier kurvor och mesh morphing för att ändra fläktbladen. Simulerings-uppställningen utvärderades innan optimeringen och bra överensstämning nära avsett driftstillstånd kunde påvisas. Skillnader i turbulens-modelering utvärderades även för att få en tillfredställande överensstämning med mätdata. EGO-algoritmen klarar att förse fläktdesigner med högre total-till-statisk verkningsgrad vid flera olika driftstillstånd. Utvärdering av fläktdesignerna var dock begränsad till jämförelse med mätdata och motsvarande simuleringsdata. En akustik utvärdering av utvalda fläkt-designer försöktes, men mer arbete krävs för att studien ska erhålla en kvantitativ jämförelse.

Owing to the ever-changing developments of battery and electric powertrain, vehicle electrification is the trend in the future. Without the presence of a combustion engine, masking effect from it reduces and noises from other components become perceivable. Among all, the cooling fan is one of the major noise sources. The design of cooling fan modules is usually carried out in the early stage before building prototype vehicles. Therefore, it is essential to come up with a method for selecting optimal fan design without performing complete vehicle testing. This is a Master's degree project in collaboration with Volvo Cars, with a focus on cooling fan noise at the charging state of electric vehicles. The main objective of this thesis is to understand the effects of fan installation. Three different setups of acoustic measurement are carried out, namely free-space, wall-mounted, and in-vehicle measurement. Correlations of these measurements are investigated through comparisons of the measurement results and the installation effects are identified through spectrum difference between free-space and in-vehicle measurement. Moreover, the implementation of spectral decomposition method enables the separation of source strength and propagation effect. Analyses of sound pressure levels are studied by looking into tonal and broadband components. In addition, sound power levels are determined by following ISO standards. Finally, a subjective rating session is held to understand the human perception of cooling fan noise. / Med anledning av den pågående utvecklingen mot elektrifiering där bilarna går mot batterier och elmotorer för framdrivning så ändras ljudbilden. Utan förbränningsmotorer som tidigare maskerade mycket av ljudet från bilarna så framträder nya ljudkällor. En sådan är kylfläkten som allt mer blir en störningskälla. Vanligtvis sker designen av kylfläktsmodulen i en tidig fas innan det finns någon prototypbil att tillgå. Detta gör att det är viktigt att utveckla metoder för att i tidig fas kunna optimera designen av kylfläkten.  Detta är ett examensarbete i samarbete med Volvo Cars med fokus på det ljud som uppstår vid laddning av eldrivna bilar. Uppsatsens huvudsakliga mål är att förstå fläktinstallationens påverkan på ljud genom att korrelera olika typer av mätningar. Detta genomfördes m.h.a tre separata konfigurationer, fritt-upphängd mätning, väggmonterad och installerad i bil. Korrelation undersöktes genom att jämföra mätresultat och analys av spektrumet. Analysen av ljudtrycksnivåerna genom att titta på dels de tonala komponenterna men också på bredbandsnivåerna. Utöver detta fastställs även ljudeffekten genom att följa gängse ISO standard. Slutligen så gjordes en subjektiv utvärdering för att få en förståelse av upplevelsen av ljudet från en kylfläkt.

This project focuses on experimentally characterizing one of the tools used at Ericsson AB to test product performance, the climatic chamber. By conducting experiments inside the climate chamber and post processing the data obtained, the airflow inside it can be understood and compared to outdoor experimental data. One of the main sections of this work is to prove the hypothesis: The energy potential of the wind outdoors is greater than indoors, which is shown to be true when comparing values for the integral length scales of the flow, at the same mean wind speed. The second main part of this project is to obtain valuable experimental input that will serve to construct a virtual model of the climate chamber. With the conclusions drawn from the experiments, which involve heat transfer, boundary conditions for the numerical model can be established. / Det här projektet fokuserar på att experimentellt karakterisera ett av verktygen som används i Ericsson AB för att testa produktprestanda - klimatkammaren. Genom att utföra experiment inuti klimatkammaren och efterbehandla de erhållna data, kan man få en förståelse för luftflödet inuti kammaren och jämföra resultat med experimentella data från utomhus. Ett av delmomenten i detta arbete bevisar hypotesen: 'Vindens energipotential är större än inomhus', vilket visar sig vara sant när man jämför värden för flödets integrala längdskalor, med samma medelvärde i vindhastighet. Den andra etappen av detta projekt är att erhålla en värdefull experimentell vägledning som kommer att tjäna till att konstruera en virtuell modell av klimatkammaren. Med slutsatserna från experimenten, som innefattar värmeöverföring, kan gränsvillkor för den numeriska modellen fastställas.

Sound transmission loss of vehicle seals was studied in this thesis. Reverberation room test and semi-anechoic chamber test were respectively studied. By comparing the sound pressure level, sound intensity level and average sound power level at the receiving side, it proved that a simple sound pressure level test may obtain same measurement accuracy when there is little reflected sound. A semi-anechoic chamber was designed for testing sound transmission losses of the seals on a trial vehicle. By comparing the sound pressure levels between the location of the passenger ear and door area, it proved that most of outside sound energy passed through the door seals into the interior. The sound transmission losses of different sealing conditions were measured which included well sealed and imperfectly sealed conditions; Sound pressure levels at passenger’s ear in three different types of vehicles were also compared, these comparison results indicated this laboratory was capable of distinguishing different sealing conditions. The installation procedure was compared with the one in reverberation room test. Numerical analysis showed that the latter method produced a different compression shape which would definitely influence the sound insulation abilities of the seals.   The transmission mechanism of the acoustic waves through a vehicle seal was also discussed. Contact analysis showed high compression ratio leaded to tremendous inner stress intensity. But any further increase of the contact depth would not improve the effect of wind noise prevention. A vehicle seal with a complex shape was replaced by a simple model. The sound transmission theory of multiple partitions on the basis of mass law was applied. Whereas, compared with the experimental result, a different trend in the high frequency range was found. When taking the transmission though the side material and integration of incident angle into account, the result was quite similar to the experimental one. FEM analysis was also performed. The majority of sound power was believed to transmit along the seal wall into the interior instead of passing through the multiple partitions. A distorted circular duct model is believed to be close to the real geometry. / QC 20101117

This study has investigated the conceptual feasibility of a rocket propelled kinetic energy penetrator (KEP), designed for the handheld recoilless rifle Carl-Gustaf® 84 mm calibre system, from an exterior ballistics perspective. The methodology is based upon evaluating the aerodynamic properties of different conceptual design proposals through CFD-simulations and then performing trajectory analysis to assess their exterior ballistic performance. In particular, the main focus has been to optimize the stability, velocity and spin rate of the KEP. The results of the study indicates that the final chosen KEP design retains, from an aerodynamic perspective, longitudinal stability for Mach numbers up to 4.5, regardless if the rocket motor is ignited or not. Furthermore, if using NK1384 propellant, the final chosen design in the study is, according to the calculations, able to achieve a maximum velocity of 0.7⋅v_ref and retain a minimum velocity of 0.628⋅v_ref in the horizontal range of [0.318⋅x_ref,0.648⋅x_ref] measured from the shooter. In addition, the angular spin velocity achieves a maximum value of 15.5 Hz, satisfying the performance limitation of the rocket motor which only functions properly for frequencies up to 30 Hz, while simultaneously providing a sufficiently considered spin rate in order to average possible thrust and mass deviations of the KEP. The results also show that if using ammonium dinitramide (ADN) propellant, the KEP is able to achieve a maximum velocity of 0.786⋅v_ref, retain a minimum velocity of 0.628⋅v_ref in the horizontal range of [0.28⋅x_ref,0.98⋅x_ref] and achieve a maximum spin rate of 17.5 Hz. / Den här studien har på ett konceptuellt plan undersökt om det är möjligt att konstruera en raketdriven kinetisk energi-pil (KE-pil), designad för det rekylfria Carl-Gustaf® 84 mm granatgeväret. Studiens metod grundade sig i att undersöka olika konceptuella designförslag och utvärdera deras aerodynamiska egenskaper genom CFD-simulationer för att sedan genomföra bansimuleringar och bedöma deras ytterballistiska prestanda. Framför allt fokuserades det på att optimera KE-pilens stabilitet, hastighet och rollvinkelfrekvens. Resultaten från studien indikerar att det ur ett aerodynamiskt perspektiv är möjligt att statiskt stabilisera KE-pilen för Machtal upp till 4.5, oavsett om raketmotorn är antänd eller ej. Vidare, vid implementering av NK1384-krut lyder prestandaspecifikationerna enligt följande för studiens slutgiltiga designförslag enligt genomförda beräkningar. Den maximalt uppnådda hastigheten är 0.7⋅v_ref och en minimumhastighet om 0.628⋅v_ref kan upprätthållas inom det horisontella intervallet [0.318⋅x_ref,0.648⋅x_ref ] räknat ifrån skytten. Vidare uppnås en maximal rollvinkelfrekvens på 15.5 Hz, vilket tillfredsställer raketmotorns prestandabegränsning om en maximal rollvinkelfrekvens på 30 Hz, samtidigt som detta är en god frekvens för att utjämna eventuella avvikelser från raketmotors avsedda massflödesriktning tillika avsedd massdistribution hos KE-pilen. Om krutet i stället byts ut till ammoniumdinitramid (ADN) kan en maximal hastighet om 0.786⋅v_ref uppnås, en minimumhastighet om 0.628⋅v_ref kan upprätthållas inom intervallet [0.28⋅x_ref,0.98⋅x_ref ] och den maximala rollfrekvensen är 17.5 Hz.

Continuous casting is by far the most widely used casting method for steel production all over the world. The Swedish steel industry has specialized in niche products with high quality. To obtain high-quality steel, flow control is crucial when operating the caster. Computational fluid dynamics is used in the research and development of steel production to gain knowledge and optimize flow control, with meshing being a crucial step. One challenge with meshing is finding the balance between computational cost (time and storage) and accuracy. This study investigated whether polyhedral mesh elements would be suffcient for modeling turbulent flow in continuous casting. Firstly, Ansys Fluent's polyhedral converter was used on an existing mesh containing tetrahedral and hexahedral elements. The mesh quality in terms of skewness, orthogonality, and aspect ratio was studied. The results showed that the polyhedral converter lowered the cell count and slightly improved the quality compared to the original mesh. However, more research is needed with other meshes and actual simulations to determine if it is suffcient for modeling turbulent flow in continuous casting. Following that, two new meshes were generated: one polyhedral and one poly-hexcore mesh, both using Ansys Fluent Meshing, and their mesh quality was analyzed as in the first case. These meshes were then simulated with the Large Eddy Simulation model for steel, slag, and air for 60 seconds. They were compared and evaluated using production data in the form of steel layer fluctuations and nail board measurements. The results from the polyhedral and poly-hexcore meshes showed that both meshes had good, equal quality and cell count. Even so, due to the construction of the poly-hexcore, switching between polyhedral and hexahedral elements, and the occurrence of hanging nodes, the simulation showed signs of discretization errors. This might have also contributed to the lower flow velocities at the steel layer compared to the nail boards for the poly-hexcore mesh. The polyhedral mesh showed more stable simulation results with closer velocity trends compared to the nailboard measurements. The steel layer fluctuations for both meshes were somewhat similar to the production data, but further FFT analysis concluded that fluid flow simulations alone are not enough for an FFT comparison to production data since many factors are missing from the simulations, such as mould oscillations and regulations from the stopper. The computational cost varied between time and storage, with the polyhedral mesh requiring 13 % less simulation time but 32.7 % more storage. In summary, it can be concluded that polyhedral mesh elements can be successfully implemented for modeling turbulent flow in continuous castingwith a reasonable computational cost. / Stränggjutning är den främsta metoden använt för stålproduktion över hela världen. Den svenska stålindustrin har specialiserat sig på nischade produkter med hög kvalitet. För att uppnå högkvalitativt stål är flödeskontroll avgörande vid drift av gjutmaskinen. Numeriska strömningsberäkningar används i forskningen och utvecklingen av stålproduktion för att skaffa kunskap och optimera flödeskontrollen, där meshing är ett avgörande steg. En utmaning med meshing är att hitta balansen mellan beräkningskostnad (tid och lagring) och noggrannhet. Denna studie undersökte om polyhedrala mesh-element skulle vara tillräckliga för att modellera turbulent flöde i stränggjutning. Först användes Ansys Fluents polyhedrala konverterare på en befintlig mesh, innehållande tetrahedrala och hexahedrala element. Meshkvalitén i termer av skevhet, ortogonalitet och aspektförhållande studerades. Resultaten visade att den polyhedrala konverteraren sänkte cellantalet och förbättrade kvaliteten något jämfört med den ursprungliga meshen. Dock behövs mer forskning med andra mesher, och faktiska simuleringar, för att avgöra om den är tillräcklig för att modellera turbulent flöde i stränggjutning. Därefter genererades två nya mesher: ett polyhedralt och en poly-hexcore, båda med hjälp av Ansys Fluent Meshing, och precis som i det första fallet, studerades deras meshkvalitet. Dessa två meshes simulerades sedan med Large Eddy Simulation-modellen för stål, slagg och luft i 60 sekunder. De jämfördes och utvärderades med hjälp av produktionsdata i form av stålnivå, fluktuationer och 'nail board'-mätningar. Resultaten från det polyhedrala och poly-hexcore meshen visade att båda mesherna hade god och likvärdiga kvalitéer samt cellantal. Trots detta, på grund av uppbyggnaden av poly-hexcore meshen, alltså växlingen mellan polyhedrala och hexahedrala element och förekomsten av hängande noder, visade simuleringen tecken på diskretiseringsfel. Detta kan också ha bidragit till de lägre flödeshastigheterna vid stålnivån jämfört med 'nail board'-mätningarna för poly-hexcore meshen. Den polyhedrala meshen visade mer stabila simuleringsresultat med hastighetstrender närmare 'nail board'-mätningarna. Amplituden för stålnivåfluktuationerna för båda näten var något lika produktionsdatan, men en vidare FFT-analys visade att endast flödesimuleringar inte är tillräckliga för en FFT-jämförelse med produktionsdata eftersom många faktorer saknas i simuleringarna, såsom svängningar av gjutformen och reglering av inloppashastigheten. Beräkningskostnaden varierade mellan tid och lagring, där den polyhedrala meshen krävde 13 % mindre simuleringstid men 32,7 % mer lagring. Sammanfattningsvis kan det konstateras att polyhedrala mesh-element framgångsrikt kan implementeras för att modellera turbulent flöde i stränggjutning med en rimlig beräkningskostnad.

Loads determination for external stores on fighter aircraft is an important task for manufacturers in ensuring the safe operation of their aircraft. Due to the large number of possible store combinations, wind tunnel tests – the primary approach to obtaining loads data – cannot be performed for all configurations. Instead, supplementary techniques to estimating loads are necessary. One approach is to use information from another store and adapt it, using so-called scaling methods, to the non-tested store. In this thesis, a scaling method combining the results of computational fluid dynamics (CFD) simulations, for both a non-tested and a reference store, with existing wind tunnel data for the reference store, is thoroughly examined for a number of different stores, angles of attack, sideslip angles and Mach numbers. The performance of the proposed scaling method is assessed in relation to currently used scaling methods, using non-parametric and multivariate statistics. The results show no definitive improvement in performance for the proposed scaling method over the current methods. Although the proposed method is slightly more conservative, considerable variability in the estimates and an increased time consumption for scaling leads the author to advise against using the proposed method for scaling aerodynamic loads on external stores. / Lastbestämning för yttre utrustning på stridsflygplan är en viktig uppgift för att tillverkarna ska kunna garantera säkerheten för sina flygplan. Då antalet möjliga utrustningskombinationer är mycket stort, kan inte vindtunneltester – normalt den främsta metoden för att erhålla lastdata – utföras för alla konfigurationer. Således behövs kompletterande metoder för att skatta laster. Ett alternativ är att använda data från en annan utrustning och anpassa den, med hjälp av så kallade skalningsmetoder, till den icke-testade utrustningen. I detta examensarbete behandlas en skalningsmetod som kombinerar resultaten från numeriska strömningsberäkningar – så kallade CFD-simuleringar – för både en testad och en icke-testad utrustning med befintliga vindtunneldata för den testade utrustningen. Metoden undersöks grundligt för ett antal olika utrustningar, anfallsvinklar, sidanblåsningsvinklar och Machtal. Prestandan hos den föreslagna skalningsmetoden utvärderas i relation till nu använda skalningsmetoder, baserat på icke-parametrisk och multivariat statistik. Resultaten visar inga definitiva förbättringar av prestanda för den föreslagna skalningsmetoden jämfört med de nuvarande metoderna. Även om den föreslagna metoden är något mer konservativ, så föranleder betydande variationer i skattningar och en ökad tidsåtgång för skalning författaren att avråda från att använda den föreslagna metoden för skalning av luftlaster på yttre utrustning.