A widely used dynamical core, PUMA (Portable University Model of the Atmosphere), is validated using the test case specifications introduced by Polvani et al. (2004). Dynamical cores are essential in every presently used AGCM (Atmospheric General Circulation Model), and deal with the dry, adiabatic primitive equations. The validation process is important in order to establish that the dynamical core is free from bugs, and thereby confirm the validity AGCMs. The test case proposed by Polvani et al. (2004) consists of a 12 day time-integrated slightly perturbed, baroclinically unstable, midlatitude jet, and is, together with derivations of the model equations, completely described in this M. Sc. thesis. The initial condition for the test case is implemented in PUMA, to a modification in order to carry out the same test case as in Polvani et al. (2004). The temperature and vorticity fields are presented and compared. The numerically converged solutions from PUMA are in strong accordance with the solutions from Polvani et al. (2004), despite different numerical schemes to solve the equations. This supports the validity and reliability for future studies with PUMA. / En torr, adiabatisk primitiv ekvationsmodell, PUMA (Portable University Model of the Atmosphere), valideras genom att jämföra dess lösningar med resultaten som presenterades av Polvani et al. (2004). Primitiva ekvationsmodeller är en viktig del i dagens allmänna cirkulationsmodeller. Valideringsprocessen är viktig för att fastslå att de primitiva ekvationsmodellerna fungerar utan buggar, och därigenom bekräfta att en viktig del av de allmänna cirkulationsmodellerna fungerar tillfredsställande. Initialtillståndet som presenterades av Polvani et al. (2004) består av en 12 dagars tids-integrerad, något perturberad, baroklint instabil polarjet. Initialtillståndet är, tillsammans med härledningarna av modellekvationerna, fullständigt beskriven i detta examensarbete. Initialtillståndet implementeras i PUMA, vilken har modifierats för att konstruera samma testspecifikationer som i Polvani et al. (2004). Temperatur- och virvlingsfälten presenteras och jämförs. De numeriskt konvergerade lösningarna från PUMA stämmer väl överrens med lösningarna från Polvani et al. (2004), trots att olika numeriska scheman använts för att lösa ekvationerna. Detta stödjer validiteten hos PUMA, vilket ökar tillförlitligheten i framtida studier med modellen.

Among all existing fuel cell technologies, the planar solid oxide fuel cell (SOFC) is the most promising one for high power density applications. A planar SOFC consists of two porous ceramic layers (the anode and cathode) through which flows the fuel and oxidant. These ceramic layers are bonded to a solid electrolyte layer to form a tri-layer structure called PEN (positive-electrolyte-negative) across which the electrochemical reactions take place to generate electricity. Because SOFCs operate at high temperatures, the cell components (e.g., PEN and seals) are subjected to harsh environments and severe thermomechanical residual stresses. It has been reported repeatedly that, under combined thermomechanical, electrical and chemical driving forces, catastrophic failure often occurs suddenly due to material fracture or loss of adhesion at the material interfaces. Unfortunately, there have been very few thermomechanical modeling techniques that can be used for assessing the reliability and durability of SOFCs. Therefore, modeling techniques and simulation tools applicable to SOFC will need to be developed. Such techniques and tools enable us to analyze new cell designs, evaluate the performance of new materials, virtually simulate new stack configurations, as well as to assess the reliability and durability of stacks in operation. This research focuses on developing computational techniques for modeling fracture failure in SOFCs. The objectives are to investigate the failure modes and failure mechanisms due to fracture, and to develop a finite element based computational method to analyze and simulate fracture and crack growth in SOFCs. By using the commercial finite element software, ANSYS, as the basic computational tool, a MatLab based program has been developed. This MatLab program takes the displacement solutions from ANSYS as input to compute fracture parameters. The individual stress intensity factors are obtained by using the volume integrals in conjunction with the interaction integral technique. The software code developed here is the first of its kind capable of calculating stress intensity factors for three-dimensional cracks of curved front experiencing both mechanical and non-uniform temperature loading conditions. These results provide new scientific and engineering knowledge on SOFC failure, and enable us to analyze the performance, operations, and life characteristics of SOFCs.

Darbas skirtas precizinių kampo komparatorių išoriniams ir vidiniams temperatūriniams trikdžiams tirti. Jame sudarytas kalibravimo neapibrėžties modelis, identifikuoti ir išnagrinėti pagrindiniai kampo kalibravimo neapibrėžties sandai, apžvelgti precizinių matavimo įrenginių temperatūrinių paklaidų tyrimo metodai ir priemonės, pasirinkta temeratūrinių gradientų tyrimo metodika ir įranga. Remiantis pateiktomis precizinių kampo komparatorių schemomis, identifikuoti pagrindiniai temperatūrinių paklaidų šaltiniai. Atlikti temperatūrinių gradientų komparatoriaus ir atskirų jo šilumos šaltinių aplinkoje eksperimentiniai tyrimai. Tyrimų rezultatai statistiškai apdoroti, apibendrinti ir padarytos reikiamos išvados. Pateikti temperatūrinių komparatoriaus bazinių elementų temperatūrinių laukų ir deformacijų skaičiavimo rezultatai, atlikti remiantis eksperimentiniais tyrimais. Teikiamos rekomendacijos temperatūriniams kalibravimo paklaidoms mažinti. Darbo apimtis – 74 p. teksto be priedų, 44 iliustracijos, 21 bibliografinis šaltinis. Atskirai pridedami darbo priedai. / The research investigates external and internal temperature disturbance in precision angle comparators.The research consists of the model of calibration uncertainty, identification and analysis of the main components of calibration uncertainty, the review of the methods and implements used for the analysis of the measurement errors which occur in precision measurement mechanisms; furthermore, there is indicated choice of methodology and equipment necessary for the analysis of temperature gradient investigation. According to the given schemes of precision angle comparators, there are identified the basic source of temperature errors. The experimental research of temperature gradient comparator and its separate source of warmth has been carried out. The results were produced and summarized as well as some respective conclusions were reached. According to the experimental research, there are produced some computation results concerning the temperature fields of base elements of temperature comparators. Finally, some recommendations are formulated concerning the reduction of the errors of temperature calibration. Thesis consist of: 74 p. text without appendixes, 44 pictures, 21 bibliographical entries. Appendixes included.

La réduction de la masse des véhicules, notamment des Groupes Motopropulseurs contribue à la réduction des émissions polluantes. Aujourd’hui afin d’aboutir à cet objectif, la conception de pièces automobiles (Carter Mécanisme, Carter Cylindre) en matériau allégé tel que l’aluminium et ses alliages est en plein essor. Pour la production de grande série, ces alliages sont mis en œuvre par le procédé de fonderie ‘’Aluminium sous pression’’.Ce procédé utilise des moules métalliques. La maîtrise du comportement thermique du moule : chauffage, refroidissement interne (par circuit) et externe, est un point clef pour la qualité et la cadence de production.Dans ce mémoire, le processus industriel est détaillé depuis la fermeture du moule et l’injection du métal liquide jusqu’à l’ouverture du moule et l’extraction de la pièce (carter mécanisme RENAULT). Ensuite, le design détaillé du moule, les différentes générations de circuit de refroidissement et les paramètres de chaque étape de la fabrication utilisés compte tenu du système de refroidissement actuel sont présentés. Le circuit de refroidissement du moule est aujourd’hui positionné dans le moule de façon empirique. Le but ultime de cette thèse est de donner les éléments clés de la conception du circuit de refroidissement d’un point vue thermique. Pour cela, une modélisation complète du phénomène a été réalisée et validée par 8 thermocouples et la position du system de refroidissement a été définie a partir des équations thermiques. Le cycle thermique du moule a été donc optimisé et nous a permis d’abaisser et d’homogénéiser les champs de température à la surface du moule pendant la production en vue d’une augmentation de la productivité, la santé des pièces et la durée de vie du moule. / Reducing the weight of vehicles, specially the powertrain Group, contributes to the reduction of the emissions. Today, in order to achieve this objective, the automobile parts conception (Housing gear box, Cylinder block) in lightweight materials such as aluminum and its alloys is increasing. For the mass production, aluminum alloys are formed by a foundry process called ‘’High Pressure Die Casting’’.This process uses the metal molds. Control the thermal behavior of the mold : Heating, intern cooling (by circuit) and extern cooling, is a key point to ensure castings quality and rate of production.In this thesis, the industrial process has been detailed since the mold closing and aluminum melting injection in the die, to the mold opening time and the part (Gearbox RENAULT) ejection. Then, the mold design details, different generation of the cooling systems and the parameters of each step of the manufacturing process taking into account the actual cooling system are presented. The actual cooling systems in the dies are positioned today in empirical way. The ultimate goal of this thesis is to provide the key elements for the cooling system conception from the thermal behavior point of view. For this one, a complete modeling of the phenomena has been realized and validated by 8 thermocouples and the cooling system position has been defined from the thermal equations. The thermal cycle of the die has been optimized and allowed us to reduce and homogenize the temperature fields on the die surface during the production. The rate of production, the castings quality and the lifetime of the die have been consequently increased.

This diploma thesis deals with methods used to determine the temperature field distribution within an electric machine. The first part is focused on methods of temperature measurement, generation and transfer of the thermal energy within the electric machine, asynchronous motor in particular. The thesis describes classical methods of temperature measurement and it also deals with ANSYS Workbench finite element method for thermal analysis of the motor. The final part of the thesis is focused on a comparation of all discussed methods with respect to results of thermal test for real asynchronous motor and concludes the most proper method.

The diploma thesis deals with CFD simulating the air flow inside the car using the numerical calculation program Star-CCM+. The aim of the thesis was to prepare 3D geometry, resp. realistic model of the real car, preparing boundary conditions including material properties, simulating the steady state of the environment and evaluating the speed and temperature of the car cabin. The paper presents the results of the temperature distribution and air velocities in the cabin during the winter, spring and summer conditions in HVAC on and HVAC off modes. The monitored air temperatures and surface temperatures of the car parts are compared with the measured data. The average difference between simulation and measurement was at air temperatures of 2.3 °C and surface temperatures of 3.4 °C.

In diesem Beitrag wird über die erzielten Ergebnisse der durchgeführten simulativ-experimentellen Untersuchungen für additive Fertigung von komplexen Bauteilgeometrieflächen mittels 3D – Plasma-Auftragschweißen berichtet. Hierbei wurde mittels des 3D – Plasma-Pulver-Auftragschweißenes von komplexen Konturflächen für ein Werkzeugmodell und ähnliche Bauteilgeometrien aus reinem Schweißgut in Mehrlagentechnik beanspruchungsgerecht hergestellt. Infolge der Besonderheiten des 3D – Plasma-Auftragschweißenes mit großer Schweißgutvolumina wie stark abweichende Eigenschaften zwischen Grund-/ Auftragswerkstoff und asymmetrischer Wärmeeintrag sind die entstehenden Schrumpfungen, Verformungen/ Eigenspannungen besonders kritisch. Diese führen demzufolge zu Maß- und Formabweichungen sowie Bildung von Bauteilrissen, welche die Qualität der additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteilstrukturen negativ beeinflussen können. Mittels des aufgebauten thermo-elastisch-plastischen Simulationsmodells wurden die auftretenden Temperaturfeldverteilung, Verformungen und Eigenspannungen während des additiven 3D – Plasma-Auftragschweißenes von Werkzeugkonturflächen vorausbestimmt und analysiert. Anhand des aufgebauten Ellipsoid-Wärmequellenmodells für Plasma-Pendelschweißprozess wurden die Temperaturfeldverteilung und deren Gradienten ermittelt. Darauf aufbauend wurden eine gekoppelte thermisch-elastisch-plastische struktur-mechanische Analyse durchgeführt. Mittels der Durchführung von werkstofflich-fertigungstechnischen Maßnahmen wie Verwendung von zähen Werkstofflegierungen, Grundköpervorwärmen und -festeinspannen wurden die damit entstehenden Bauteilverformung und -eigenspannungen simulativ kompensiert bzw. minimiert. Demzufolge wurden die damit erreichten Ergebnisse für die Herstellung endkonturnaher Werkzeugkonturflächen mit vordefinierten Schichteigenschaften praxisnah genutzt. Die dabei erreichten Simulationsergebnisse der Temperaturfeldverteilung und des Verformungs- und Eigenspannungszustandes präsentierten eine gute Übereinstimmung mit den Experimentresultaten.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

In der vorliegenden Habilitationsarbeit wurden technisch-konstruktive Lösungsansätze basierend auf einem entwickelten strömungs-thermomechanischen/magneto-hydro-dynamischen Simulationsmodell zur Entwicklung/Charakterisierung eines physikalischen Prozesswirkprinzips des betrachteten Mikro- und Hochleistungs- sowie Orbital-Plasma-Schweißprozesses und dessen physikalischer Effekte entwickelt. Dabei wurden die differenten Einflussgrößen beim Plasmaschweißprozess erfasst, analysiert und ihre Wirkung auf Schweißprozessverhalten und Brennerkonstruktion charakterisiert. Die damit gewonnenen Ergebnisse wurden zur werkstofflichen, technisch-konstruktiven Entwicklung der Brennerkopfmodelle hinsichtlich der Ausführungsgeometrien des Prozessgaszuführungs- und Brennerkühlsystems genutzt. Im Rahmen des erarbeiteten thermomechanischen Simulationsmodells wurden die beim Plasma-Auftragschweißen von Verbundbauteilen auftretenden Temperaturfelder, Verformungen und Eigenspannungen vorausbestimmt, untersucht und analysiert. Mittels des erarbeiteten Simulationsmodells wurden werkstoffliche, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zur Minimierung/Beeinflussung schweißbedingter Verformungen und Eigenspannungen simulativ untersucht und bewertet. / In this work, technical and constructive solutions were developed based on simulation models (process and structural) for fluid mechanical, thermomechanical and magneto-hydrodynamic effects. The simulation process included improving and characterising the physical operating principles for micro plasma welding, high performance plasma welding and orbital plasma welding. Also, the physical effects for the above plasma welding processes were studied and analysed. From these different physical properties of the parameters for the plasma welding processes, and their effects on plasma welding process behaviour and torch design were analysed and characterised. The results were used for the development and construction of plasma welding torch models, which included material selection and geometrical design such as, process gas supply design, torch cooling system design, and other related torch designs. By developing the thermomechanical simulation model, deformations and residual stresses that were generated by heating during the plasma welding process were investigated and analysed. The developed thermomechanical model included material, structural and welding specifications such as buffering and preheating. Simulations utilizing this model were used in order to reduce the residual stresses and deformations of the welded components.

La thermographie infrarouge est une méthode largement employée pour la caractérisation des propriétés thermophysiques des matériaux. L’avènement des diodes laser pratiques, peu onéreuses et aux multiples caractéristiques, étendent les possibilités métrologiques des caméras infrarouges et mettent à disposition un ensemble de nouveaux outils puissants pour la caractérisation thermique et le contrôle non desturctif. Cependant, un lot de nouvelles difficultés doit être surmonté, comme le traitement d’une grande quantité de données bruitées et la faible sensibilité de ces données aux paramètres recherchés. Cela oblige de revisiter les méthodes de traitement du signal existantes, d’adopter de nouveaux outils mathématiques sophistiqués pour la compression de données et le traitement d’informations pertinentes. Les nouvelles stratégies consistent à utiliser des transformations orthogonales du signal comme outils de compression préalable de données, de réduction et maîtrise du bruit de mesure. L’analyse de sensibilité, basée sur l’étude locale des corrélations entre les dérivées partielles du signal expérimental, complète ces nouvelles approches. L'analogie avec la théorie dans l'espace de Fourier a permis d'apporter de nouveaux éléments de réponse pour mieux cerner la «physique» des approches modales.La réponse au point source impulsionnel a été revisitée de manière numérique et expérimentale. En utilisant la séparabilité des champs de température nous avons proposé une nouvelle méthode d'inversion basée sur une double décomposition en valeurs singulières du signal expérimental. Cette méthode par rapport aux précédentes, permet de tenir compte de la diffusion bi ou tridimensionnelle et offre ainsi une meilleure exploitation du contenu spatial des images infrarouges. Des exemples numériques et expérimentaux nous ont permis de valider dans une première approche cette nouvelle méthode d'estimation pour la caractérisation de diffusivités thermiques longitudinales. Des applications dans le domaine du contrôle non destructif des matériaux sont également proposées. Une ancienne problématique qui consiste à retrouver les champs de température initiaux à partir de données bruitées a été abordée sous un nouveau jour. La nécessité de connaitre les diffusivités thermiques du matériau orthotrope et la prise en compte des transferts souvent tridimensionnels sont complexes à gérer. L'application de la double décomposition en valeurs singulières a permis d'obtenir des résultats intéressants compte tenu de la simplicité de la méthode. En effet, les méthodes modales sont basées sur des approches statistiques de traitement d'une grande quantité de données, censément plus robustes quant au bruit de mesure, comme cela a pu être observé. / Infrared thermography is a widely used method for characterization of thermophysical properties of materials. The advent of the laser diodes, which are handy, inexpensive, with a broad spectrum of characteristics, extend metrological possibilities of infrared cameras and provide a combination of new powerful tools for thermal characterization and non destructive evaluation. However, this new dynamic has also brought numerous difficulties that must be overcome, such as high volume noisy data processing and low sensitivity to estimated parameters of such data. This requires revisiting the existing methods of signal processing, adopting new sophisticated mathematical tools for data compression and processing of relevant information.New strategies consist in using orthogonal transforms of the signal as a prior data compression tools, which allow noise reduction and control over it. Correlation analysis, based on the local cerrelation study between partial derivatives of the experimental signal, completes these new strategies. A theoretical analogy in Fourier space has been performed in order to better understand the «physical» meaning of modal approaches.The response to the instantaneous point source of heat, has been revisited both numerically and experimentally. By using separable temperature fields, a new inversion technique based on a double singular value decomposition of experimental signal has been introduced. In comparison with previous methods, it takes into account two or three-dimensional heat diffusion and therefore offers a better exploitation of the spatial content of infrared images. Numerical and experimental examples have allowed us to validate in the first approach our new estimation method of longitudinal thermal diffusivities. Non destructive testing applications based on the new technique have also been introduced.An old issue, which consists in determining the initial temperature field from noisy data, has been approached in a new light. The necessity to know the thermal diffusivities of an orthotropic medium and the need to take into account often three-dimensional heat transfer, are complicated issues. The implementation of the double singular value decomposition allowed us to achieve interesting results according to its ease of use. Indeed, modal approaches are statistical methods based on high volume data processing, supposedly robust as to the measurement noise.