Community Climate Model 3 (CCM3) is run on an idealized all land zonally symmetric planet (Terra Blanda) with no seasonality, no snow and fixed soil moisture to obtain a stationary time series effectively much longer than conventional runs with geography and seasons. The surface temperature field generated is studied to analyze the spatial and temporal spectra, estimate the length scale and time scale of the model, and test the linearity of response to periodic and steady heat source forcings. The length scale of the model is found to be in the range of 1000-2000 km and the time scale is estimated to be 24 days for the global average surface temperature field. The response of the global average temperature is found to be fairly linear to periodic and the steady heat source forcings. The results obtained are compared with the results of a similar study that used CCM0. Fluctuation Dissipation theorem is also tested for applicability on CCM3. The response of the surface temperature field to a step function forcing is demonstrated to be very similar to the decay of naturally occurring anomalies, and the auto-correlation function. Return period of surface temperature anomalies is also studied. It is observed that the length of the data obtained from CCM3, though sufficient for analysis of first and second moments, is significantly deficient for return period analysis. An AR1 process is simulated to model the global averaged surface temperature of Terra Blanda 3 to assess the sampling error associated with short runs.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-17T17:30:45Z No. of bitstreams: 1 JOSÉ RICARDO FERREIRA OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 2648257 bytes, checksum: 5e08d81aaa5973d7c6fd8bac23c313cc (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-17T17:30:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSÉ RICARDO FERREIRA OLIVEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 2648257 bytes, checksum: 5e08d81aaa5973d7c6fd8bac23c313cc (MD5) Previous issue date: 2017-11-30 / CNPq / A caracterização termofísica dos materiais utilizados na Engenharia é de grande importância para realização de projetos nas mais diversas áreas de conhecimento onde os fenômenos ligados aos processos de transferência de calor exercem um papel fundamental. A difusividade térmica é uma propriedade termofísica importantíssima na análise de problemas de difusão de energia térmica. Este trabalho teve como proposta a determinação desta propriedade utilizando um campo de temperatura periódico. Para isto, foi construído um dispositivo experimental com princípio de funcionamento no método de Angstrom, o qual faz uso de um fluxo de calor periódico de uma fonte controlada, gerando assim, um campo de temperatura periódico na amostra em teste. Termopares foram instalados nas amostras para captar os sinais de temperatura gerados pelo fluxo de calor periódico. A amplitude e a fase destes sinais foram obtidas por meio de um software de análise gráfica. O termopar mais próximo da fonte de calor foi adotado como referência, ao passo que a razão de amplitudes e a defasagem, entre os sinais térmicos registrados pelos demais termopares em relação ao registrado por àquele termopar , foram calculadas. Estes resultados foram utilizados em modelos matemáticos para determinar a difusividade térmica, que pode ser identificada ou atra vés da razão de amplitudes ou através da defasagem entre os perfis de temperatura. As amostras utilizadas neste trabalho foram de aço inox AISI 304, aço inox AISI 316 e de uma liga de memória de forma de níquel-titânio. Os valores de difusividade térmica identificados para estes materiais, quando foram comparados com valores disponíveis na literatura, obtiveram uma boa concordância, tendo em vista a faixa de incerteza apresentada. / Thermophysical characterization of materials used in engineering is very important for realization of projects in the most diverse areas of knowledge where the phenomena related to the process of heat transfer play an important role. Thermal diffusivity is a very important thermal property on the analysis of problems of diffusion of thermal energy. This work proposes the determination of this property using a periodic temperature field. For this, an experimental device was built with principle of operation in Angstrom’s method, which makes use of a periodic heat flow from a controlled source, thereby generating a periodic temperature field in the test sample. Thermocouples were installed on the samples for capture of signals generated by the periodic heat flow. Amplitude and phase of these signals were obtained by means of graphic analysis software. The thermocouple closest to the heat source was adopted as reference, and the ratio and phase lag, between the thermal signals registered by other thermocouples in relation to that registered by that thermocouple, were calculated. These results were utilized in mathematical models to determine the thermal diffusivity, whose identification can be performed either through the amplitude ratio or through the phase lag between the temperature profiles. Samples utilized in this work were stainless steel AISI 304, stainless steel AISI 316 and a shape memory alloy of nickel-titanium. Identified values of thermal diffusivity of these materials, when compared whit values available in literature obtained a good agreement, considering the range of uncertainty presented.

This diploma thesis focuses on strength design of steam condenser. The goal of the thesis is to make strength calculations for the specific operation conditions, introduce possible solutions, provide recommendations and refer to weak points of such calculation procedures. First, thermal-hydraulic design in HTRI software is performed. Strength calculations respect ČSN EN 13445 standard. Strength calculation with imported temperature field is performed in ANSYS Workbench software. In the next step, another strength calculation is realized in Sant´ Ambrogio software. Results are evaluated in conclusion chapter, including recommendations for the possible following work.

The goal of this master’s thesis is creating a model of the attenuation of the fluid temperature fluctuations using methods described in the thesis. PCM is used to attenuation of fluctuations. This thesis is example of utilization PCM in technical practice. Numerical calculation of PCM phase change uses the method of effective heat capacity and enthalpy method. A part of this thesis also forms a theoretical basis for heat transfer described by differential equations. The final part of the thesis is dedicated to the optimization of the model and the description of the optimization methods.

The main aim of this master’s thesis is to design the drivetrain of four-cylinder gasoline internal combustion engine with torsional vibration rubber dumper. For the basic parameters of the engine are designed two optional crankshafts. Crankshaft with eight counterweights and crankshaft with four counterweights. The thesis also includes modal analysis of the crankshaft using FEM, and design of the main dimensions of the dumper. The following part describes the calculation of force torsional vibration and safety factor solution of crankshaft fatigue using FEM. The final calculation is of the temperature field in the rubber dumper in selected operating modes.

Continuous casting is a dominant production technology of steelmaking which is currently used for more that 95% of the world steel production. Mathematical modelling and optimal control of casting machine are crucial tasks in continuous steel casting which directly influence productivity and quality of produced steel, competitiveness of steelworks, safety of casting machine operation and its impact on the environment. This thesis concerns with the development and implementation of the numerical model of temperature field for continuously cast steel billets and its use for optimal control of the casting machine. The numerical model was developed and implemented in MATLAB. Due to computational demands the model was parallelized by means of the computation on graphics processing units NVIDIA with the computational architecture CUDA. Validation and verification of the model were performed with the use of operational data from Trinecke zelezarny steelworks. The model was then utilized as a part of the developed model-based predictive control system for the optimal control of dynamic situations in the casting machine operation. The behaviour of the developed control system was examined by means of dynamic model situations that have confirmed the ability of the implemented system to optimally control dynamic operations of the continuous casting machine. Both the numerical model of the temperature field and the model-based predictive control system have been implemented so that they can be modified for any casting machine and this allows for their prospective commercial applications.

Die strukturmodellbasierte Korrektur wird genutzt, um thermisch bedingte Fehler von Werkzeugmaschinen mithilfe von physikalischen Modellen zu reduzieren. Diese Modelle bilden das thermo-elastische Verhalten der Werkzeugmaschine ab, einschließlich ihrer Strukturvariabilität. Als Modelleingangsdaten werden maschineninterne technologische Daten, wie die Achspositionen, -geschwindigkeiten, Motorströme sowie die Umgebungstemperatur verwendet. In der Maschinensteuerung erfolgt eine volumetrische Korrektur der berechneten thermisch bedingten Fehler. In dieser Arbeit werden zunächst die Grundfunktionen der strukturmodellbasierten Korrektur von der thermo-elastischen Wirkungskette abgeleitet. Es werden die drei wesentlichen Echtzeitbereiche für die Module der Korrektur sowie die Schnittstellen zwischen diesen Echtzeitbereichen definiert. Die modularisierte Korrektur wird am Beispiel eines Hexapods demonstriert. Die für die technologischen Daten erforderlichen Abtastzeiten werden aus den Bewegungsgrenzwerten der Achsen, der Diskretisierung der Randbedingungen im thermischen Modell und dem thermischen Zeitverhalten der Maschine hergeleitet. Des Weiteren wird die geeignete Verdichtung der Eingangsgrößen auf die Lastschrittweite des Simulationsmodells unter Verwendung von positionsabhängigen Lastprofilen beschrieben. Das Vorgehen wird an einem Knotenpunktmodell einer kugelgewindegetriebenen Achse demonstriert. Die Verdichtung der Eingangsgrößen führt in diesem Beispiel zu einer starken Reduktion der benötigten Rechenzeit bei einem lediglich geringen Genauigkeitsverlust. Das Starttemperaturfeld für das Korrekturmodell hat einen wesentlichen Einfluss auf die Korrekturgenauigkeit. Deswegen wird ein Vorgehen für die Bestimmung des Starttemperaturfelds unter verschiedenen Randbedingungen und unter Berücksichtigung des thermischen Zeitverhaltens der Maschine entwickelt. Das Vorgehen wird am Beispiel einer kartesischen 3-Achs-Maschine demonstriert. Für kurze Unterbrechungen und Fortsetzung der Simulation mit dem letzten bekannten Temperaturfeld liegt der Restfehler im Bereich der Referenzsimulation ohne Unterbrechung. Eine geraffte Simulation zur Bestimmung des Starttemperaturfelds führt ebenfalls zu einem Restfehler in derselben Größenordnung wie die Referenzsimulation ohne Unterbrechung. Durch das Strukturmodell wird ein räumliches Fehlergitter mit thermisch bedingten Fehlern im Arbeitsraum der Maschine berechnet. Dieses Fehlergitter ist die Eingangsgröße für drei untersuchte Implementationsvarianten der volumetrischen Korrektur. Die Auswirkungen der Varianten und der Anzahl der Gitterpunkte auf die Korrekturgenauigkeit wird mit einer Monte-Carlo-Simulation untersucht. Das Vorgehen wird ebenfalls am Beispiel der 3-Achs-Maschine demonstriert. Es zeigt sich, dass die Wahl der Implementationsvariante für die volumetrische Korrektur nur einen geringen Einfluss auf die Korrekturgenauigkeit hat. Mit zunehmender Gitterpunktanzahl fällt der Restfehler asymptotisch ab.:1. Einleitung 2. Stand der Technik 2.1 Maßnahmen zur Reduktion thermisch bedingter Fehler 2.2 Modellbasierte Korrekturansätze 2.2.1 Korrelative Korrektur 2.2.2 Eigenschaftsmodellbasierte Korrektur 2.2.3 Strukturmodellbasierte Korrektur 2.3 Strukturmodelle für die Korrektur 2.3.1 Knotenpunktmodelle 2.3.2 Entfeinerte FE-Modelle 2.3.3 FE-Modelle mit reduzierter Modellordnung 2.4 Volumetrische Korrektur anWerkzeugmaschinen 2.4.1 Fehlerparameter der Maschinenachsen 2.4.2 Kinematisches Fehlermodell auf Basis von homogenen Transformationsmatrizen 2.5 Einflüsse auf die Korrekturqualität der strukturmodellbasierten Korrektur 2.6 Hemmnisse für den Einsatz der strukturmodellbasierten Korrektur 2.6.1 Modellierungsaufwand 2.6.2 Echtzeitfähigkeit 2.6.3 Versuchsaufwand 2.6.4 Steuerungsintegration 2.6.5 Startzustand des thermischen Modells 3. Zielsetzung und Vorgehensweise 4. Demonstratormaschinen 4.1 Parallelkinematik Hexapod 4.2 Versuchsträger MAX 5. Module der strukturmodellbasierten Korrektur 5.1 Grundfunktionen der strukturmodellbasierten Korrektur 5.2 Echtzeitbereiche 5.3 Anforderungen an steuerungsnahe Module 5.4 Implementation der Korrektur am Beispiel eines Hexapods 5.4.1 Gewählte Implementationsvariante 5.4.2 Lastdatenerfassung 5.4.3 Strukturmodell 5.4.4 Parameterabgleich 5.4.5 Fehler im Arbeitsraum 5.4.6 Korrektur auf Achsebene 5.4.7 Versuchsaufbau und -durchführung 5.4.8 Ergebnisse der Validierung 5.5 Zusammenfassung 6. Eingangsdatenverarbeitung 6.1 Abtasttakt der Lastdaten 6.1.1 Abtasttakt des Stroms 6.1.2 Abtasttakt der Geschwindigkeit 6.1.3 Abtasttakt der Position 6.2 Lastdatenverdichtung 6.2.1 Positionsabhängiges Lastprofil 6.2.2 Einfluss der Lastdatenverdichtung auf die Genauigkeit 6.3 Eingangsdatenverarbeitung am Beispiel eines Kugelgewindetriebs 6.4 Zusammenfassung 7. Startzustand der strukturmodellbasierten Korrektur 7.1 Charakterisierung des thermischen Zeitverhaltens 7.2 Fortsetzen der Simulation mit letztem Temperaturfeld 7.3 Zeitlich geraffte Simulation 7.3.1 Abschätzung der Lasten im Stillstand 7.3.2 Abschätzung der fortgesetzten Belastung in der Serienfertigung 7.3.3 Abschätzung Umgebungstemperatur anhand von typischem Tagesverlauf 7.4 Abklingen des Fehlers nach Unterbrechung 7.5 Bewertung des ermittelten Starttemperaturfeldes 7.6 Abschätzung des Temperaturfelds anhand von Messwerten 7.6.1 Variante 1: Mittlere Temperatur der Komponenten 7.6.2 Variante 2: Ähnliches bekanntes Temperaturfeld 7.6.3 Variante 3: Temperaturfeld interpoliert zwischen Messpunkten 7.6.4 Bewertung der Temperaturfeldschätzung 7.7 Genauigkeit der Temperaturfeldschätzung für ein einfaches Beispielmodell 7.7.1 Modell und Zeitverhalten 7.7.2 Lastregime und Referenzsimulation 7.7.3 Fortsetzen der Simulation mit letztem Temperaturfeld 7.7.4 Geraffte Simulation 7.7.5 Abklingen des Fehlers nach Unterbrechung 7.7.6 Abschätzung des Temperaturfelds anhand von Messwerten 7.8 Wiederanlauf am Beispiel des Versuchsträgers MAX 7.8.1 Reduziertes thermisches FE-Modell 7.8.2 Zeitverhalten 7.8.3 Wiederanlauf nach einer kurzen Unterbrechung 7.8.4 Geraffte Simulation mit bekannten Lastdaten 7.8.5 Geraffte Simulation mit geschätzten Lastdaten 7.8.6 Abklingen des Fehlers nach Unterbrechung 7.8.7 Abschätzung des Starttemperaturfeldes anhand von Messwerten 7.9 Zusammenfassung 8. Volumetrische thermo-elastische Korrektur 8.1 Varianten für kombinierte geometrische und thermo-elastische Korrektur 8.1.1 Variante 1: Aufschaltung auf Fehlerparameter 8.1.2 Variante 2: Aufschaltung auf aktuellen Fehler am TCP 8.1.3 Variante 3: Aufschaltung auf Achssollwerte 8.2 Typische Fehlerparameter von Werkzeugmaschinen 8.3 Bewertung anhand des Fehlers am TCP 8.4 Untersuchung der Varianten am Beispiel des Versuchsträgers MAX 8.5 Zusammenfassung 9. Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung 9.2 Ausblick A Anhang A.1 Positionen der im Versuchsträger verbauten Sensoren A.2 Beispiel für kinematisches Modell einer Maschine A.3 Beispiel für typische generierte Fehler am TCP A.4 Ermitteln der Achskorrekturwerte mittels Rücktransformation A.5 Visualisierung Lastprofile A.6 Veröffentlichungen A.7 Vorträge Literaturverzeichnis / Structure model based correction is used to reduce thermally induced errors in machine tools utilizing physical models. These models simulate the thermo-elastic behavior of the machine tool, including its structural variability. Machine-internal technological data, such as axis positions, velocities, motor currents, and ambient temperature, are used as model input data. In the machine control, a volumetric correction of the calculated thermally induced errors is performed. In this thesis, the basic functions of the structure model based correction are derived from the thermo-elastic functional chain. Three main real-time domains for the modules of the correction as well as the interfaces between these real-time domains are defined. The modularized correction is demonstrated using a hexapod as an example. The sampling times required for the load data are derived from the motion limits of the axes, the discretization of the boundary conditions in the thermal model, and the thermal time behavior of the machine. Furthermore, the appropriate compression of the input variables to the load step size of the simulation model using position-dependent load profiles is described. The procedure is demonstrated on a model with lumped parameters for a ball screw driven axis. In this example, the compression of the input variables leads to a strong reduction of the required computation time with only a small loss of accuracy. The start temperature field for the correction model has a significant influence on the correction accuracy. Therefore, a procedure for the determination of the start temperature field under different boundary conditions and under consideration of the thermal time behavior of the machine is developed. The procedure is demonstrated using the example of a Cartesian 3-axis machine. For short interruptions and continuation of the simulation with the last known temperature field, the residual error is in the range of the reference simulation without interruption. A streamlined simulation to determine the starting temperature field also leads to a residual error of the same order of magnitude as the reference simulation without interruption. The structural model is used to calculate a spatial error grid with thermally induced errors in the working space of the machine. This error grid is the input variable for three investigated implementation variants of the volumetric correction. The effects of the variants and the number of grid points on the correction accuracy are investigated with a Monte Carlo simulation. The procedure is also demonstrated using the 3-axis machine as an example. It is shown that the choice of the implementation variant for the volumetric correction has only a minor influence on the correction accuracy. With an increasing number of grid points, the residual error decreases asymptotically.:1. Einleitung 2. Stand der Technik 2.1 Maßnahmen zur Reduktion thermisch bedingter Fehler 2.2 Modellbasierte Korrekturansätze 2.2.1 Korrelative Korrektur 2.2.2 Eigenschaftsmodellbasierte Korrektur 2.2.3 Strukturmodellbasierte Korrektur 2.3 Strukturmodelle für die Korrektur 2.3.1 Knotenpunktmodelle 2.3.2 Entfeinerte FE-Modelle 2.3.3 FE-Modelle mit reduzierter Modellordnung 2.4 Volumetrische Korrektur anWerkzeugmaschinen 2.4.1 Fehlerparameter der Maschinenachsen 2.4.2 Kinematisches Fehlermodell auf Basis von homogenen Transformationsmatrizen 2.5 Einflüsse auf die Korrekturqualität der strukturmodellbasierten Korrektur 2.6 Hemmnisse für den Einsatz der strukturmodellbasierten Korrektur 2.6.1 Modellierungsaufwand 2.6.2 Echtzeitfähigkeit 2.6.3 Versuchsaufwand 2.6.4 Steuerungsintegration 2.6.5 Startzustand des thermischen Modells 3. Zielsetzung und Vorgehensweise 4. Demonstratormaschinen 4.1 Parallelkinematik Hexapod 4.2 Versuchsträger MAX 5. Module der strukturmodellbasierten Korrektur 5.1 Grundfunktionen der strukturmodellbasierten Korrektur 5.2 Echtzeitbereiche 5.3 Anforderungen an steuerungsnahe Module 5.4 Implementation der Korrektur am Beispiel eines Hexapods 5.4.1 Gewählte Implementationsvariante 5.4.2 Lastdatenerfassung 5.4.3 Strukturmodell 5.4.4 Parameterabgleich 5.4.5 Fehler im Arbeitsraum 5.4.6 Korrektur auf Achsebene 5.4.7 Versuchsaufbau und -durchführung 5.4.8 Ergebnisse der Validierung 5.5 Zusammenfassung 6. Eingangsdatenverarbeitung 6.1 Abtasttakt der Lastdaten 6.1.1 Abtasttakt des Stroms 6.1.2 Abtasttakt der Geschwindigkeit 6.1.3 Abtasttakt der Position 6.2 Lastdatenverdichtung 6.2.1 Positionsabhängiges Lastprofil 6.2.2 Einfluss der Lastdatenverdichtung auf die Genauigkeit 6.3 Eingangsdatenverarbeitung am Beispiel eines Kugelgewindetriebs 6.4 Zusammenfassung 7. Startzustand der strukturmodellbasierten Korrektur 7.1 Charakterisierung des thermischen Zeitverhaltens 7.2 Fortsetzen der Simulation mit letztem Temperaturfeld 7.3 Zeitlich geraffte Simulation 7.3.1 Abschätzung der Lasten im Stillstand 7.3.2 Abschätzung der fortgesetzten Belastung in der Serienfertigung 7.3.3 Abschätzung Umgebungstemperatur anhand von typischem Tagesverlauf 7.4 Abklingen des Fehlers nach Unterbrechung 7.5 Bewertung des ermittelten Starttemperaturfeldes 7.6 Abschätzung des Temperaturfelds anhand von Messwerten 7.6.1 Variante 1: Mittlere Temperatur der Komponenten 7.6.2 Variante 2: Ähnliches bekanntes Temperaturfeld 7.6.3 Variante 3: Temperaturfeld interpoliert zwischen Messpunkten 7.6.4 Bewertung der Temperaturfeldschätzung 7.7 Genauigkeit der Temperaturfeldschätzung für ein einfaches Beispielmodell 7.7.1 Modell und Zeitverhalten 7.7.2 Lastregime und Referenzsimulation 7.7.3 Fortsetzen der Simulation mit letztem Temperaturfeld 7.7.4 Geraffte Simulation 7.7.5 Abklingen des Fehlers nach Unterbrechung 7.7.6 Abschätzung des Temperaturfelds anhand von Messwerten 7.8 Wiederanlauf am Beispiel des Versuchsträgers MAX 7.8.1 Reduziertes thermisches FE-Modell 7.8.2 Zeitverhalten 7.8.3 Wiederanlauf nach einer kurzen Unterbrechung 7.8.4 Geraffte Simulation mit bekannten Lastdaten 7.8.5 Geraffte Simulation mit geschätzten Lastdaten 7.8.6 Abklingen des Fehlers nach Unterbrechung 7.8.7 Abschätzung des Starttemperaturfeldes anhand von Messwerten 7.9 Zusammenfassung 8. Volumetrische thermo-elastische Korrektur 8.1 Varianten für kombinierte geometrische und thermo-elastische Korrektur 8.1.1 Variante 1: Aufschaltung auf Fehlerparameter 8.1.2 Variante 2: Aufschaltung auf aktuellen Fehler am TCP 8.1.3 Variante 3: Aufschaltung auf Achssollwerte 8.2 Typische Fehlerparameter von Werkzeugmaschinen 8.3 Bewertung anhand des Fehlers am TCP 8.4 Untersuchung der Varianten am Beispiel des Versuchsträgers MAX 8.5 Zusammenfassung 9. Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung 9.2 Ausblick A Anhang A.1 Positionen der im Versuchsträger verbauten Sensoren A.2 Beispiel für kinematisches Modell einer Maschine A.3 Beispiel für typische generierte Fehler am TCP A.4 Ermitteln der Achskorrekturwerte mittels Rücktransformation A.5 Visualisierung Lastprofile A.6 Veröffentlichungen A.7 Vorträge Literaturverzeichnis

Considering the late in-vessel phase of an unlikely core melt down scenario in a light water reactor (LWR) with the formation of a corium pool in the lower head of the reactor pressure vessel (RPV) the possible failure modes of the RPV and the time to failure have to be investigated to assess the possible loadings on the containment. In this work, an integral model was developed to describe the processes in the lower plenum of the RPV. Two principal model domains have to be distinguished: The tem-perature field within the melt and RPV is calculated with a thermodynamic model, while a mechanical model is used for the structural analysis of the vessel wall. In the introducing chapters a description is given of the considered accident scenario and the relevant analytical, experimental, and numerical investigations are discussed which were performed worldwide during the last three decades. Following, the occurring physical phenomena are analysed and the scaling differences are evaluated between the FOREVER-experiments and a prototypical scenario. The thermodynamic and the mechanical model can be coupled recursively to take into account the mutual influence. This approach not only allows to consider the temperature dependence of the material parameters and the thermally induced stress in the mechanical model, it also takes into account the response of the temperature field itself upon the changing vessel geometry. New approaches are applied in this work for the simulation of creep and damage. Using a creep data base, the application of single creep laws could be avoided which is especially advantageous if large temperature, stress, and strain ranges have to be covered. Based on experimental investigations, the creep data base has been developed for an RPV-steel and has been validated against creep tests with different scalings and geometries. It can be stated, that the coupled model is able to exactly describe and predict the vessel deformation in the scaled integral FOREVER-tests. There are uncertainties concerning the time to failure which are related to inexactly known material parameters and boundary conditions. The main results of this work can be summarised as follows: Due to the thermody-namic behaviour of the large melt pool with internal heat sources, the upper third of the lower RPV head is exposed to the highest thermo-mechanical loads. This region is called hot focus. Contrary to that, the pole part of the lower head has a higher strength and therefore relocates almost vertically downwards under the combined thermal, weight and internal pressure load of the RPV. On the one hand, it will be possible by external flooding to retain the corium within the RPV even at increased pressures and even in reactors with high power (as e.g. KONVOI). On the other hand, there is no chance for melt retention in the considered scenario if neither internal nor external flooding of the RPV can be achieved. Two patents have been derived from the gained insights. Both are related to passively working devices for accident mitigation: The first one is a support of the RPV lower head pole part. It reduces the maximum mechanical load in the highly stressed area of the hot focus. In this way, it can prevent failure or at least extend the time to failure of the vessel. The second device implements a passive accident mitigation measure by making use of the downward movement of the lower head. Through this, a valve or a flap can be opened to flood the reactor pit with water from a storage reservoir located at a higher position in the reactor building. With regard to future plant designs it can be stated - differing from former presumptions - that an In-Vessel-Retention (IVR) of a molten core is possible within the reactor pressure vessel even for reactors with higher power. / Für das unwahrscheinliche Szenario eines Kernschmelzunfalls in einem Leichtwasserreaktor mit Bildung eines Schmelzesees in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters (RDB) ist es notwendig, mögliche Versagensformen des RDB sowie Versagenszeiträume zu ermitteln, um die daraus resultierende mögliche Belastung des Sicherheitsbehälters bestimmen zu können. In dieser Arbeit wird ein integrales Modell entwickelt, das die Vorgänge im unteren Plenum beschreibt. Dabei sind zwei prinzipielle Modellbereiche zu unterscheiden: Das Temperaturfeld in der Schmelze und im RDB wird mit einem thermodynamischen Modell berechnet, während für die Strukturanalyse des RDB ein mechanisches Modell verwendet wird. Zunächst werden das betrachtete Unfallszenario dargestellt und die bisher in den letzten drei Dekaden weltweit durchgeführten wesentlichen analytischen, experimentellen und numerischen Untersuchungen diskutiert. Anschließend werden die auftretenden physikalischen Vorgänge analysiert. Gleichzeitig werden Skalierungsunterschiede zwischen den in dieser Arbeit betrachteten Experimenten der FOREVER-Reihe und einem prototypischen Szenario herausgearbeitet. Das thermodynamische und das mechanische Modell können rekursiv gekoppelt werden, wodurch die wechselseitige Beeinflussung berücksichtigt werden kann. Insbesondere werden damit neben der Temperaturabhängigkeit der Materialparameter und den thermisch induzierten Spannungen im mechanischen Modell auch die Rückwirkungen der Behälterverformung auf das Temperaturfeld selber erfasst. Für die Kriech- und Schädigungssimulation werden in dieser Arbeit neue Verfahren angewendet. Durch die Entwicklung und den Einsatz einer Kriechdatenbasis konnte die bei sehr unterschiedlichen Temperaturen, Spannungen und Dehnungen ungeeignete Verwendung einzelner Kriechgesetze umgangen werden. Aufbauend auf experimentellen Untersuchungen wurde eine Kriechdatenbasis für einen RDB-Stahl entwickelt und an Hand von Kriechversuchen verschiedener Geometrie und Dimension validiert. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass das gekoppelte Modell prinzipiell in der Lage ist, die Behälterdeformation im Falle der skalierten FOREVER-Experimente exakt zu beschreiben bzw. vorherzusagen. Unsicherheiten bezüglich der Versagenszeit resultieren aus nicht exakt bekannten Materialparametern und Randbedingungen. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Aufgrund des thermodynamischen Verhaltens eines großen Schmelzesees mit inneren Wärmequellen erfolgt die höchste thermomechanische Belastung des RDB im oberen Drittel der Bodenkalotte. Dieser Bereich wird als heißer Fokus bezeichnet. Der untere Bereich der Kalotte weist hingegen eine höhere Festigkeit auf und verlagert sich deswegen bei entsprechender Belastung des RDB im wesentlichen senkrecht nach unten. Bei einer externen Flutung besteht auch bei hohen Innendrücken für einen Reaktor großer Leistung (KONVOI) die Möglichkeit, die Schmelze im RDB zurückzuhalten. Ohne interne oder externe Flutung besteht für das betrachtete Szenario keine Aussicht für eine Schmelzerückhaltung im RDB. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden zwei Patente abgeleitet. Dabei handelt es sich um passiv wirkende Einrichtungen zur Schadensbegrenzung: Die erste reduziert durch Abstützen des unteren Kalottenzentrums die Maximalspannungen im hochbeanspruchten Bereich des heißen Fokus und kann damit ein Versagen verhindern oder zumindest verzögern. Die zweite Einrichtung ermöglicht die passive Auslösung einer Flutung, indem die Abwärtsbewegung der Kalotte zur Steuerung genutzt wird. Hierdurch kann beispielsweise ein Ventil geöffnet werden, um Wasser aus im Gebäude höher angeordneten Reservoirs in die Reaktorgrube zu leiten. Abweichend von bisherigen Annahmen kann im Hinblick auf die Entwicklung zukünftiger Baulinien festgehalten werden, dass eine Kernschmelzerückhaltung im Reaktordruckbehälter auch für Reaktoren größerer Leistung möglich ist.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση των φαι-νομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε πρότυπη εργαστηριακή μονάδα μηχανικής ξήρανσης δια συναγωγής, η οποία σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και εξοπλίσθηκε με μετρητικό εξοπλισμό και ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου, συλλογής και επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων. Στην εργαστηριακή μονάδα ξήρανσης παρέχεται η δυνατότητα μεταβολής και ελέγχου των βασικών παραμέτρων από τις οποίες επηρεάζεται η θερμική διεργασία της ξήρανσης, όπως η ταχύτητα, η θερμοκρασία και η υγρασία του αέρα ξήρανσης. Η μέτρηση της αποβολής της περιεχομένης υγρασίας στο υπό ξήρανση προϊόν πραγματοποιείται μέσω δυναμοκυψελών υψηλής ακρίβειας, ενώ η χωρική κατανομή της ταχύτητας ροής στην είσοδο του θαλάμου ξήρανσης κατά τη διεξαγωγή κάθε κύκλου πειραμάτων συνεχώς μετρείται με συστοιχία σωλήνων pitot και ενός συστήματος συγκροτούμενου από ηλεκτροβαλβίδες και μορφομετατροπέα πίεσης. Η χωρική κατανομή της θερμοκρασίας και της ταχύτητας στον θάλαμο ξήρανσης είναι δυνατή μέσω αισθητηρίων που προσαρμόζονται σε καρτεσιανό σύστημα μετακίνησης ελεγχόμενου από υπολογιστή το οποίο σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε και τοποθετήθηκε στην έξοδο του κατακόρυφου θαλάμου ξήρανσης αποτελώντας πλέον αναπόσπαστο τμήμα της εργαστηριακής μονάδας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στον κατακόρυφο θάλαμο ξήρανσης, ενώ παρέχεται η δυνατότητα διεξαγωγής μετρήσεων και στο θάλαμο ξήρανσης οριζόντιας διάταξης. Στα πλαίσια της διατριβής, έγινε συστηματική πειραματική διερεύνηση της ξήρανσης δια συναγωγής σε φέτες κυδωνιών και μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν τη θερμική διεργασία της ξήρανσης σε αυτό το αγροτικό προϊόν, για θερμοκρασίες αέρα 40, 50 και 60οC και ταχύτητες αέρα 1, 2 και 3 m/s. Σκοπός των με-τρήσεων ήταν ο προσδιορισμός: (i) της επίδρασης της θερμοκρασίας και της ταχύτητας του αέρα στις καμπύλες ξήρανσης κυλινδρικών φετών κυδωνιού, (ii) της επίδρασης του πάχους των κυλινδρικών φετών του κυδωνιού στις καμπύλες ξήρανσης, (iii) της επίδρασης του προσανατολισμού των κυλινδρικών φετών κυδωνιού, ως προς τη διεύθυνση της προσπίπτουσας ροής, στις καμπύλες ξήρανσης, (iv) της προσαρμογής των καμπύλων ξήρανσης σε διάφορα απλά μοντέλα ξήρανσης λεπτού στρώματος, v) των ενεργών συντελεστών διάχυσης υγρασίας για την κάθε περίπτωση με την μέθοδο της κλίσης (slope method) και οι οποίοι συσχετίστηκαν με τη θερμοκρασία του αέρα ξήρανσης έτσι ώστε ο συντελεστής διάχυσης της υγρασίας να εκφρασθεί με την εξίσωση μορφής τύπου Arrhenius και vi) των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας οι οποίοι στη εκφράζονται ως συνάρτηση των αδιάστατων αριθμών Nu, Re και Pr με τη μορφή Nu=aRebPr1/3. Η προσομοίωση του ρευστοθερμικού πεδίου στο θάλαμο ξήρανσης και ο υπολογισμός των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας γύρω από την επι-φάνειας του προϊόντος πραγματοποιήθηκε με χρήση της εργαλείων της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Έγιναν προσομοιώσεις CFD μόνιμης κατάστασης (steady-state), θεωρώντας τυρβώδη ροή ενώ ο θάλαμος ξήρανσης και η κυλινδρική φέτα του κυδωνιού εξιδανικεύθηκε ως μια δισδιάστατη αξονοσυμμετρική διαμόρφωση. Ως μοντέλο τύρβης χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο SST (Shear Stress Transport) k-ω, ενώ για την προσέγγιση του οριακού στρώματος στα τοιχώματα του προϊόντος επιλέχθηκε το μοντέλο LRNM (Low Reynolds Number Model). Από την επίλυση των πεδίων ροής και θερμοκρασίας προσδιορίσθηκαν οι κατανομές των διεπιφανειακών συντελεστών στην προσήνεμη και στην υπήνεμη πλευρά της κυλινδρικής φέτας του κυδωνιού για όλες τις πειραματικές συνθήκες. Από τον υπολογισμό του μέσων σταθμισμένων τιμών του διεπιφανειακού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας συνάγεται μια συσχέτιση των αδιάστατων αριθμών Nu, Re και Pr, στη μορφή Nu=aRebPr1/3, που ως εύρημα εμπλουτίζει την υφιστάμενη βιβλιογραφία. Στο τελικό στάδιο της διατριβής, αναπτύχθηκε και αποτιμήθηκε σε σύγκριση με τις πειραματικές μετρήσεις ένα μονοδιάστατο αριθμητικό μοντέλο μη-μόνιμης μεταφοράς θερμότητας και μάζας για την προσομοίωση των καμπυλών ξήρανσης σε κυλινδρικές φέτες κυδωνιών. Στο μοντέλο, η μεταφορά θερμότητας εντός του προϊόντος γίνεται με αγωγή ενώ η μεταφορά μάζας γίνεται με υγρή διάχυση, με την εξάτμιση του περιεχόμενου νερού στις φέτες του κυδωνιών να λαμβάνει χώρα από την προσήνεμη και την υπήνεμη επιφάνεια. Στο αριθμητικό μοντέλο, λαμβάνεται υπόψη η συρρίκνωση της κυλινδρικής φέτας του κυδωνιού, θεωρώντας ότι ο όγκος της προϊόντος μειώνεται κάθε φορά κατά τον όγκο του νερού που εξατμίζεται τις δύο επιφάνειες της φέτας. Στον αριθμητικό κώδικα, οι θερμοφυσικές ιδιότητες του κυδωνιού και του αέρα προσδιορίζονται από σχέσεις που συναντώνται στη βιβλιογραφία, ο ενεργός συντελεστής διάχυσης της υγρασίας εισάγεται ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας των πειραματικών μετρήσεων, ενώ για τους συντελεστές μεταφοράς χρησιμοποιήθηκαν οι μέσες σταθμισμένες τιμές των διεπιφανειακών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας και μάζας, ως αποτέλεσμα των CFD προσομοιώσεων και για περίπτωση μη-συζυγούς προσέγγισης (non-conjugated approach). Στοχεύοντας στην καλύτερη προσαρμογή των πειραματικών μετρήσεων και των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση μη-γραμμικής παλινδρόμησης, με τους αλγόριθμους SQP (Sequential Quadratic Programming) και εσωτερικού σημείου (internal point), για τον προσδιορισμό των συντελεστών της εξίσωσης διάχυσης της υγρασίας, με μικρή όμως βελτίωση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων, σε συνδυασμό με τη σημαντική αύξηση του χρόνου υπολογισμού. Συμπερασματικά, από τη συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του αριθμητικού κώδικα αποδείχθηκε ότι το προτεινόμενο αριθμητικό μοντέλο που βασίζεται στη διάχυση είναι ικανό να περιγράψει αποτελεσματικά τη σύζευξη της μεταφοράς της θερμότητας και της μάζας όπως και να αποτυπώσει ικανοποιητικά τη χρονική εξέλιξη της περιεχόμενης υγρασίας και θερμοκρασίας εντός του προϊόντος, με την ελάχιστη χρήση πειραματικών μεταβλητών εισόδου ενώ έχει ελάχιστες υπολογιστικές απαιτήσεις. Για αυτούς τους λόγους μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλο για την ανάλυση της διαδικασίας της ξήρανσης δια συναγωγής σε οποιοδήποτε οργανικό ή μη-οργανικό προϊόν. / The objective subject of this thesis is the computational and experimental investigation of heat and mass transfer phenomena in a new laboratory mechanical convection drying unit, which was designed, constructed and equipped with measuring equipment and an integrated control system of collection and processing of experimental measurements. In laboratory drying unit there is an option to change and control the main parameters of which affected the thermal drying process, such as speed, temperature and humidity of the drying air. Measurement of the removal of moisture content in the dried product is carried out through high-precision load cells, and the spatial distribution of the flow velocity at the entrance of the drying chamber during of each experiment, is continuously measured by pitot tube array and a system composed of solenoids and a pressure transducer. The spatial distribution of temperature and velocity in the drying chamber is possible by means of sensors fitted to a computer controlled cartesian motion system which is designed, constructed and placed at the outlet of the vertical drying chamber, constituting an integral part of the facility. All measurements were performed on the vertical drying chamber while it is possible to conduct measurements in a horizontal layout of the drying chamber. In this thesis became systematic experimental investigation of convective drying sliced quince and studied the effect of various parameters affecting the thermal drying process in this agricultural product, for air temperatures of 40, 50 and 60°C and air velocities 1, 2 and 3 m/s. The purpose of the measurements was to determine: (i) the effect of temperature and air velocity in drying curves of cylindrical quince slice, (ii) the effect of the thickness of the cylindrical slice of quince in drying curves, (iii) the effect of the orientation of the cylindrical quince slice, in the direction of incident flow, in the drying curves (iv) the adjusting of the drying curves in several simple thin layer drying models v) the effective moisture diffusivity coefficients for each case with the slope method which correlated with the temperature of the drying air so that the diffusion coefficient of moisture be expressed by Arrhenius type equation form and vi ) the interfacial heat and mass transfer coefficients which expressed as a function of dimensionless numbers Nu, Re and Pr in the form Nu = aRebPr1/3. The simulation of the flow and temperature fields in the drying chamber and the calcu-lation of the interfacial heat and mass transfer coefficients around the surface of the product were performed using the tools of Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD simulations were steady state, considering turbulent flow while drying chamber and cy-lindrical slice of quince specialized as an axisymmetric two-dimensional configuration. As turbulence model was used the SST k-ω model while on the approximation of the boundary layer near the walls of the product the LRNM was chosen. By solving the flow and temperature fields determined distributions of interfacial heat and mass transfer coefficients in front and rear of the cylindrical slice of quince for all experimental conditions. The calculation of the weighted average prices of the interfacial heat transfer coefficient indicates a correlation between dimensionless numbers Nu, Re and Pr, in the form Nu = aRebPr1/3, which as finding enriches the existing literature. In the final stage of the thesis, developed and evaluated in comparison with the experi-mental measurements, a one-dimensional transient numerical model of heat and mass transfer to simulate drying curves in cylindrical slices of quince. The heat transfer inside the quince is considered to be by conduction while the moisture transfer is considered to be governed solely by liquid diffusion. Evaporation is considered to take place only from the windward and leeward surface of the quince slice. The numerical model takes into account the shrinkage of the cylindrical slice of quince, assuming that the cylindrical volume decreases each time as much as the volume of water that evaporates on both surfaces of the slice. The numerical code used the thermophysical properties of quince and air from the literature, the effective diffusion coefficient of moisture experimentally determined by the method of the slopes, while the transfer coefficients used the weighted average prices of interfacial heat and mass transfer coefficients derived from the simulations with CFD (non-conjugated approach). In order to achieve higher accuracy between experimental data and predictions, a non-linear regression analysis, using an Arrhenius type effective diffusion equation, was also performed. However, preliminary result, obtained using the SQP (Sequential Quadratic Programming) and Interior Point algorithms for the minimization of the Chi-square function (χ2) showed only small improvement of the calculated results with a significant increase of the computational cost. In conclusion, the overall assessment of the results of the numeric code shown that the proposed numerical model based on diffusion is able to effectively describe the coupling of heat transfer and mass, as to capture the time evolution of moisture content and temperature within the product, with minimum use of experimental input variables and minimum computational requirements. For these reasons it may be considered appropriate to analyze the convective drying process in any organic or non-organic product.

This thesis deals with interaction of microwave radiation with wet in porous material. It examines the distribution of the temperature field, the efficiency of the method and the financial demands of the method. The most important part of this thesis was an experiment, from which all important values ??were based. The first part deals with the necessary theory and the second part is the experiment itself. The experiment was carried out for three levels of material wet. Eight samples were used for this experiment, which remained unchanged throughout the experiment. The thesis draws on previous researches that were carried out on this or similar topic.