The market of wind power as a sustainable energy source is growing, both on large and small scale. Conventional large scale wind turbines normally operate in uniform areas where expected wind speeds and turbulence characteristics are well investigated and the constructional design of the wind turbines is regulated by standard classes for different external conditions. Small scale wind turbines (SWT), on the other hand, are sometimes placed in more complex environments where the turbulence conditions are rougher. A larger amount of turbulence will generate a larger amount of fatigue loadings on the construction, increasing the risk of breakdown. It is therefore of major concern to perform more measurements and further investigate the turbulence characteristics in complex environments and the effect that these will have on small wind turbine construction. Thus, turbulence is measured with sonic anemometers at two sites with complex environments; at an urban site above a rooftop in a medium sized city (Uppsala, Sweden) and above a forest in Norunda (outside Uppsala) at two heights, near the treetops (z = 33 m) defined as complex and further up (z = 97 m) defined as more uniform. The turbulence data is analyzed and the results are compared to the normal turbulence model (NTM) as it is defined for the standard SWT classes by the International Electrotechnical Commission in the International standard 61400-2: Design requirements for small wind turbines (IEC, 2006). Measurements of  minute standard deviations of longitudinal wind speed (σu) and turbulence intensity (TIu) are reported, as well as the distributions of TIu and of 10  minute mean wind speeds (um) for the different sites and stabilities. The results show that the NTM represents the turbulence at 97 m height above the forest only for light wind speeds, smaller than 10 m/s, but underestimates the turbulence for higher wind speeds.  It should also be noted that the data is scattered and contain a number of occasions with extreme values of σu and TIu. For wind speeds higher than 10 m/s the number of observations is limited but the majority of the observations are more extreme than the NTM. At the complex sites (near the treetops and the rooftop) the NTM clearly underestimates both the magnitude and rate of change of σu with increasing wind speed, although the observed wind speeds close to these rough surfaces are low so the conclusions are limited. Average TIu at 97 m height is 19 %, compared to 41 % close above forest and 43 % above rooftop. Mean values of TIu above forest are generally 10 % lower during stable conditions (z/L > 0.05) while above rooftop, the wind material is sparse and 95 % of the observations had stable stratification so no dependence on stability can be seen. From these results it can be concluded that the turbulence characteristics close above treetops is similar to those above rooftop, but that the NTM, as it is defined for the standard SWT classes, is not valid in these complex and urban terrains and need to be modified to correctly estimate the turbulence intensities, and consequently also the loadings, affecting small wind turbines located at these kinds of sites. / Marknaden för vindkraft som en förnyelsebar energikälla växer snabbt, både stor- och småskaligt. Traditionella storskaliga vindkraftverk placeras normalt på homogena platser där vindklimatet och turbulensens karaktär är ganska väl kartlagda och konstruktionsstandarden regleras av standardklasser utifrån olika externa förhållanden. Små vindkraftverk (SWT) å andra sidan placeras ofta i mer komplex eller urban miljö där turbulensen är mer intensiv. En större andel turbulens genererar större utmattningslaster på konstruktionen vilket ökar risken att vindturbinen går sönder. Det är därför av stor vikt att utföra fler mätningar och ytterligare undersöka turbulensen i komplexa miljöer och vilken effekt den kommer ha på de små vindkraftverkens konstruktion. Med anledning av detta så har turbulensdata analyserats från mätningar med sonicanemometrar. Dels på en urban plats, ovanför ett hustak i en medelstor stad (Uppsala, Sverige). Dels vanför en skog i Norunda (utanför Uppsala) på två höjder, nära trädtopparna (33 m) som anses komplex och högre upp (97 m) som anes mer homogen. Resultaten är jämförda med den normala turbulensmodellen (NTM) så som den definieras för standard SWT klasserna av International Electrotechnical Commission i International standard 61400-2: Design requirements for small wind turbines (IEC, 2006). Mätningar av 10  minuters standardavvikelse av den longitudinella vindhastigheten (σu) och turbulensintensiteten (TIu) redovisas, liksom fördelningen av TIu och 10 minuters medelvinden (um) för olika stabilitet för de olika mätplatserna. Resultaten visar att NTM är representativ på 97 m höjd endast för låga vindhastigheter, under 10 m/s, medan modellen underskattar turbulensen för högre vindhastigheter. Det bör också noteras att spridningen är stor i data och att extrema värden av σu och TIu uppmätts vid flertalet tillfällen. För vindhastigheter över 10 m/s så är antalet mätvärden begränsade, men majoriteten av mätvärdena är högre än NTM. På de komplexa mätplatserna (nära trädtopparna och ovan hustaket) så underskattar NTM avsevärt både storleken av σu och dess förändring med ökad vindhastighet på de komplexa platserna (nära trädtopparna och ovan hustaket). Dock är de observerade vindhastigheterna låga såhär nära de skrovliga ytorna så slutsatserna är begränsade. På 97 m höjd är medelvärdet av TIu 19 %, jämfört med 41 % nära trädtopparna och 43 % ovan hustak. De är generellt 10 % lägre under stabila förhållanden (z/L > 0.05)  över skog, medan ovan hustak där vindmaterialet är begränsat och 95 % av observationerna var stabilt skiktade så ses inte något stabilitetsberoende. Från dessa resultat kan slutsatserna dras att turbulensens karaktär nära trädtoppar liknar den ovan hustak, men att NTM, så som den definieras för standard SWT klasserna, inte gäller vid dessa komplexa och urbana platser och behöver modifieras för att korrekt uppskatta turbulensintensiteterna och därmed också de laster som påverkar små vindkraftverk placerade på den här typen av platser.

This thesis aims to provide the thermal condition of melt pool convection by CFD simulation, which is important to the assessment of the invessel melt retention (IVR) strategy widely adopted in Generation III pressurized water reactors (PWRs). As a severe accident mitigation measure, the IVR strategy is realized through external cooling of the lower head of a reactor pressure vessel (RPV). To achieve the coolability and retention of the corium pool in the RPV lower head, the heat flux at the outer surface of the vessel should be less than the critical heat flux (CHF) of boiling around the lower head. Under such condition, the integrity of the RPV is guaranteed by the adequate thickness of the unmelted vessel wall. The thesis work starts from the selection and validation of a turbulence model in the CFD computational tool chosen (Fluent). Afterwards a numerical model is set up for estimation of melt pool heat transfer of a reference PWR with the power capacity of 1000 MWe, including a mesh sensitivity study. Based on the numerical model of a twolayer melt pool, four tasks are carried out to investigate the effects of Zr oxidation ratio, Fe content, and radiation emissivity on heat flux profiles, as well as the focus effect under extreme conditions. Selection and validation of the turbulence model are conducted by comparing the simulation results of different turbulence models with the DNS data on the convection of volumetrically heated fluid layer bounded by rigid isothermal horizontal walls at equal temperature. The internal Rayleigh numbers of the flow reach up to 10e6. The comparison shows a good agreement of the SST k-ω turbulence model results with the DNS data. The simulations with the Zr oxidation ratio of 0, 0.2 and 0.5, correspondingly, the oxide layer of 1.389m, 1.467m and 1.580m, and the metal layer of 0.705m, 0.646m and 0.561m in height, show that, the temperature of the oxide layer will increase with Zr oxidation ratio, while the temperature of the metal layer will decrease resulting in more heat transfer through the oxide layer sidewall and less top radiation. Nevertheless, the effect of the Zr oxidation ratio is not pronounced in the range of 00.5. The simulations with the Fe mass of 22t, 33t and 45t, and respective height of the metal layer of 0.462m, 0.568m and 0.646m, show that, the inner metal layer will significantly increase the temperatures of both the metal layer and the oxide layer. The percentage of heat transfer at the oxide layer sidewall will increase to supplement the reduction of that at the metal layer. The simulations with the radiation emissivity of 0.2, 0.35, 0.45 and 0.7 show that, the emissivity below 0.45 has an impact on heat transfer, and the temperatures and sidewall heat flux of both the oxide layer and the metal layer will increase with decreasing emissivity. The impact is negligible when the emissivity is above 0.45. The simulations under the hypothetically extreme conditions with either an adiabatic top boundary or a very thin metal layer show the focusing effect may occur, i.e., the heat flux through the metal sidewall is larger than that in the oxide layer. But the local high heat flux is flattened by the vessel wall with good heat conductivity. In summary, the simulations demonstrate that, except for the cases under extreme conditions, the heat fluxes of the melt pools in all other cases are significantly lower than the CHF of external cooling of the lower head. Therefore, the safety margin of the IVR strategy of the PWR chosen is seems sufficient. However, due to some limitations (e.g., simplification and assumptions) in the simulation cases and coupling of different influential factors, as indicated by the present study, the precise predictions of heat flux under all scenarios are still difficult. Therefore, the conclusions could not be generalized to the other conditions or other configurations of the molten pools. By discussing the model and simplifications/assumptions adopted in this work, the improvement directions of the numerical model and other perspectives are proposed at the end of the thesis. / Denna avhandling syftar till att tillhandahålla det termiska tillståndet för smältbassängskonvektion genom CFD-simulering, vilket är viktigt för bedömningen av IVR-strategin som allmänt antagits i tryckvattenreaktorer (PWR) i Generation III. Som en åtgärd för att mildra allvarliga olyckor realiseras IVR-strategin genom extern kylning av det nedre huvudet av ett reaktortryckkärl (RPV). För att uppnå kylbarhet och kvarhållning av koriumbassängen i det nedre RPV-huvudet bör värmeflöde vid den yttre ytan av kärlet vara mindre än det kritiska värmeflödet (CHF) som kokar runt det nedre huvudet. Under sådant tillstånd garanteras RPV: s integritet av den osmälta kärlväggens tillräckliga tjocklek. Examensarbetet startar från valet och valideringen av en turbulensmodell i det valda CFD-beräkningsverktyget (Fluent). Därefter sätts en numerisk modell upp för uppskattning av smältbassängens värmeöverföring av en referens PWR med en effektkapacitet på 1000 MWe, inklusive en nätkänslighetsstudie. Baserat på den numeriska modellen för en tvålagers smältbassäng utförs fyra uppgifter för att undersöka effekterna av Zr-oxidationsförhållande, Fe-innehåll och strålningsemissivitet på värmeflödesprofiler, liksom fokuseffekten under extrema förhållanden. Val och validering av turbulensmodellen utförs genom att jämföra simuleringsresultaten för olika turbulensmodeller med DNS-data för konvektionen av volymetriskt uppvärmt fluidskikt avgränsat av styva isoterma horisontella väggar vid lika temperatur. De interna Rayleigh-siffrorna i flödet når upp till 10e6. Jämförelsen visar att SST k-ω turbulensmodellresultaten överensstämmer med DNS-data. Simuleringarna med Zr-oxidationsförhållandet 0, 0,2 och 0,5, motsvarande oxidskiktet på 1,389 m, 1,467 m och 1,580 m, och metallskiktet på 0,705 m, 0,664 m och 0,561 m i höjd, visar att temperaturen av oxidskiktet kommer att öka med Zr-oxidationsförhållandet, medan metallskiktets temperatur kommer att minska vilket resulterar i mer värmeöverföring genom oxidskiktets sidovägg och mindre toppstrålning. Ändå är effekten av Zr-oxidationsförhållandet inte uttalad i intervallet 00,5. Simuleringarna med Fe-massan på 22t, 33t och 45t och respektive höjd av metallskiktet på 0,462m, 0,568m och 0,664m visar att det inre metallskiktet avsevärt kommer att öka temperaturerna för både metallskiktet och oxiden lager. Andelen värmeöverföring vid oxidskiktets sidovägg ökar för att komplettera minskningen av den vid metallskiktet. Simuleringarna med strålningsemissiviteten 0,2, 0,35, 0,45 och 0,7 visar att emissiviteten under 0,45 påverkar värmeöverföringen, och temperaturerna och sidoväggens värmeflöde för både oxidskiktet och metallskiktet kommer att öka med minskande emissivitet. Effekten är försumbar när strålningen är över 0,45. Simuleringarna under de hypotetiskt extrema förhållandena med antingen en adiabatisk övre gräns eller ett mycket tunt metallskikt visar att fokuseringseffekten kan uppstå, dvs. värmeflödet genom metallsidan är större än det i oxidskiktet. Men det lokala höga värmeflödet plattas ut av kärlväggen med god värmeledningsförmåga. Sammanfattningsvis visar simuleringarna att, förutom fall under extrema förhållanden, är värmeflödet från smältpoolerna i alla andra fall betydligt lägre än CHF för extern kylning av nedre huvudet. Därför verkar säkerhetsmarginalen för IVR-strategin för den valda PWR tillräcklig. På grund av vissa begränsningar (t.ex. förenkling och antaganden) i simuleringsfall och koppling av olika inflytelserika faktorer, vilket indikeras av den aktuella studien, är de exakta förutsägelserna av värmeflöde under alla scenarier fortfarande svåra. Därför kunde slutsatserna inte generaliseras till de andra förhållandena eller andra konfigurationer av de smälta poolerna. Genom att diskutera modellen och förenklingar / antaganden som antagits i detta arbete föreslås förbättringsriktningarna för den numeriska modellen och andra perspektiv i slutet av avhandlingen.

Detta examensarbete undersöker möjligheten att tillämpa tidiga och ej så beräkningstunga CFD-simuleringar (’Computational Fluid Dynamics’) för optimering av gasväxlingskomponenter tidigt i produktutvecklingsprocessen. Examensarbetet har innefattat framtagande av generellt applicerbara inställningar och riktlinjer vid modellering av gasväxlingskomponenter med programvaran OpenFOAM, optimerade för att nyttja så låg beräkningskraft som möjligt men fortfarande erhålla tillräckligt noggranna och pålitliga resultat. Rapporten ger en teoretiskt genomlysning med motivering av simuleringsrelaterade val i OpenFOAM i syfte att validera och efter behov justera de inställningar och parameterval ansatta i det befintliga Excel skriptet – framtaget av avdelningen med ansvar för avgasefterbehandlingssystem – som automatiserar uppställningen av OpenFOAM:s simuleringsrelaterade filstruktur. Detta i syfte att erhålla och säkerställa pålitliga resultat vid användning av skriptet anpassat för simulering av gasväxlingskomponenter. Rapporten redovisar även bakomliggande analyser för olika inställningar och val i OpenFOAM i syfte att tjäna som välgrundade riktlinjer genom hela CFD-processen; såsom för skapande av geometriska modeller, generering av volymsnät, åtgärder för att säkerställa konvergens samt uppställning och tolkning av resultatet. En av examensarbetets leveranser är en metodbeskrivning utformad med praktiska riktlinjer för genomförandet av hela CFD-processen med avsedda programvaror samt med tillhörande praxis avseende simuleringsrelaterade val genom processen. Ett antal genomförda fallstudier i examensarbetet visar att OpenFOAM har potential att utföra initiala och indikativa simuleringar för att mer tidseffektivt möjliggöra en bredare idégenerering i konceptutvecklingsfasen. / This thesis investigates the possibility of applying early and not so computational heavy simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD) for optimization of gas exchange components early in the product development process. The scope of the thesis includes the development of generally applicable settings and guidelines – documented in a methodology – when modelling gas exchange components with the software OpenFOAM, optimized to use as low computational power as possible but still obtaining sufficiently accurate and reliable data. The report consists of a theoretical study and motives for simulation-related choices in OpenFOAM in order to adjust and validate the settings and parameter choices applied in the existing Excel script – developed by the department responsible for exhaust aftertreatment systems – that automates the set-up of OpenFOAM's simulation-related file structure. This in order to obtain and ensure reliable results using the script adapted to the environment for gas exchange components. The report also presents underlying analyses for different settings and choices in order to serve as well-founded guidelines throughout the CFD-process; such as the creation of geometric models, the generation of mesh, measures to ensure convergence, and the set-up and interpretation of the results. One of the deliverables of the thesis is a method description designed with practical guidelines for the entire CFD-process with intended software’s and with associated best practices in regards of simulation-related choices throughout the process. A number of case studies – that has been simulated in this thesis – show that OpenFOAM has the potential to perform initial and indicative simulations enabling a more time-efficiently and broader ideation in the concept development phase.