Converter Supply Transformer For LVDC Distribution System

This master’s thesis is focused on optimizing the parameters of a distribution transformer with respect to low voltage direct current (LVDC) distribution system. One of the main parts of low voltage direct current (LVDC) distribution system is transformer. It is studied from several viewpoints like filtering capabilities of harmonics caused by rectifier, losses and short circuit current limiting Determining available short circuit currents is one of the most important aspects of designing power distribution systems. Short circuits and their effects must be considered in selecting electrical equipment, circuit protection and other devices.

Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Sähkönjakeluverkon komponenttien pitoajat

Suomessa sähkönjakeluverkkoyhtiöt toimivat verkkovastuualueillaan yksinoikeudella. Verkkovastuualuiden ominaispiirteet voivat olla hyvin erilaiset. Energiamarkkinavirasto valvoo sähkömarkkinalainsäädännön noudattamista jakeluverkkotoiminnassa. Jakeluverkonhaltijat on velvoitettu Energiamarkkinaviraston valvontamallin kautta määrittämään tiettyjen rajoitusten mukaisesti verkkokomponenteillensa sopivimmat teknistaloudelliset pitoajat. Nämä pitoajat vaikuttavat varsinkin verkkoyhtiön tuottomahdollisuuksiin ja asiakkaiden siirtohintoihin. Lisäksi huomioon on otettava jaettavan sähkön laatu, verkon käyttövarmuus sekä vaikutukset ympäristöön ja turvallisuuteen. Pitoaikojen matemaattinen mallintaminen on usein monimutkaista. Teknistaloudellinen pitoaika valitaankin monesti kokemuksen ja harkinnan perusteella. Tärkeimmät reunaehdot jakeluverkkokomponenttien teknistaloudellisten pitoaikojen valinnalle muodostavat verkkovastuualueen sähkönkulutuksen kasvun sekä infrastruktuurin muutoksen nopeudet. Hitaan muutoksen alueilla verkkokomponenttien teknistaloudelliset pitoajat lähenevät teknisiä pitoaikoja, joihin vaikuttavat voimakkaasti verkkovastuualueen maantieteelliset ja ilmastolliset ominaispiirteet. Yhtiöittäin vaihtelevat verkon rakennus- ja ylläpitomenetelmät tulee myös huomioida. Tässä diplomityössä keskitytään pääosin sähkönjakeluverkon komponenttien teknistaloudelliseen pitoaikaan verkon ja verkkovastuualueen ominaispiirteiden kautta. Aluksi määritellään jakeluverkon pitoaika usealla eri tavalla, sekä selvitetään pitoajan merkitystä nykytilanteessa. Lisäksi työn alkuosassa esitellään Energiamarkkinaviraston vuoden 2005 alusta käyttöönotettu jakeluverkkotoiminnan hinnoittelun kohtuullisuuden valvontamalli ja käydään läpi teknistaloudellisen pitoajan merkitys siinä. Sen jälkeen tarkastellaan jakeluverkkokomponenttien ja niiden osien tekniseen pitoaikaan vaikuttavia tekijöitä. Erityisesti puupylväisiin ja niihin liittyviin ajankohtaisiin asioihin kiinnitetään huomiota, koska puupylväät määräävät monesti koko ilmajohtorakenteen uusimisajankohdan. Lisäksi suolakyllästeiselle puupylväälle esitetään yleinen rappeutumismalli ja jakelumuuntajan rappeutumistapahtumaa tutkitaan. Lopuksi tarkastellaan Graninge Kainuu Oy:tä jakeluverkonhaltijana sekä määritetään sen verkkovastuualueelle ominaisia komponenttien teknisiä ja teknistaloudellisia pitoaikoja haastattelujen, tuoreimpien lähteiden, tutkimustulosten, vertailun ja harkinnan avulla.

Sellutehtaan varavoimajärjestelmän mitoitus ja teknistaloudellinen vertailu 400 ja 690 voltin jännitteillä

Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää pienjakelujännitteen nostosta aiheutuvia vaikutuksia sellutehtaan varavoimaverkossa. Työn alussa esitellään varavoimaverkkoon kuuluvia osia, selvitetään erilaisten kuormien vaikutusta varavoimaverkon sähkön laatuun sekä kuormien jakoa varmennettuihin verkkoihin. Seuraavaksi suunnitellaan kaksi keskitettyä varavoimaverkkomallia eri pienjakelujännitteillä. Mallien nimellisjännitteet ovat 400 V ja 690 V. Varavoimaverkkomallien kuormat ja osastojen väliset etäisyydet on otettu valmiista sellutehtaista. Tässä diplomityössä painotutaan erityisesti varavoimaverkkomallien mitoitukseen ja jakelujännitteen nostosta aiheutuvien vaikutusten teknistaloudelliseen vertailuun. Vertailu tehdään keskijännitekojeiston ja varavoimakeskusten välisellä alueella, johon kuu-luvat jakelumuuntaja, varavoimakone, varavoimapääkeskus, kiskosillat, jakelukaapelit, kytkinvaroke- ja katkaisijalähdöt sekä mahdolliset välimuuntajat. Varavoimaverkkojen välisessä kustannusvertailussa käytetään nykyarvomenetelmää.

Hartsieristeisen jakelumuuntajan valintakriteerit

Tämän diplomityön tarkoitus on tuoda esiin öljy- ja hartsieristeisten muuntajien käytön tekniset, ympäristölliset ja taloudelliset erot. Vertailuun on otettu nämä kaksi vaihtoehtoa, koska ne ovat yleisimmin Suomessa käytetyt. Suurin osa jakelumuuntajista Suomessa on öljyeristeisiä, siksi tämän työn esimerkeiksi on otettu projektit, joissa käytettiin hartsimuuntajaa. Työn alkuosa koostuu muuntajien teknisten erojen selvittämisestä sekä ulko- että sisäkäytössä. Toinen osa käsittelee ympäristönkuormitusta ja kolmas osa sitä, kuinka jakelumuuntajan käyttö ja valinta vaikuttaa muuntamon elinikäkustannuksiin. Lopussa on kaksi todellista esimerkkiä, joissa voi olla mahdollisuus kyseenalaistaa muuntajavaihtoehto tai olla vaikeaa valita kannattavin ratkaisu. Suurimmat valintakriteerit muuntajalle Suomessa ovat taloudellisuus ja ympäristöystävällisyys. Ympäristöystävällisyys voi olla paikallista tai globaalia ympäristöhaitan torjuntaa. Myös kustannukset voidaan jakaa suoriin ja epäsuoriin muuntajasidonnaisiin kustannuksiin. Esimerkin kuvauksen jälkeen on laskettu yleisimpien vaihtoehtojen kustannukset ja esitetty niille perustelut.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Jännitteenkorotin heikkoihin jakeluverkkoihin

Sähkönkulutuksen kasvaessa jakeluverkossa syntyy yhä enemmän jännitteenalenemia, jotka ylittävät sähkön laatustandardin asettamat raja-arvot. Jännitteenalenemista kärsivät etenkin syrjäseuduilla asuvat ihmiset, joiden käyttökohteet sijaitsevat kaukana jakelumuuntajasta. Perinteinen tapa on ollut kasvattaa syöttävän jakelukaapelin poikkipinta-alaa ja vaihtaa jakelumuuntaja suurempaan ongelman ratkaisemiseksi, mutta investointi on kuitenkin kallis eikä välttämättä maksa itseään koskaan takaisin. On myös mahdollista, että aiempaa suuremman muuntajan tyhjäkäyntihäviöillä on huonontava vaikutus järjestelmän energiatehokkuuteen. Tällöin voi olla kokonaistaloudellisesti kannattavampaa liittää sähköverkkoon laite, jolla voidaan korjata jännitteenalenemia. Diplomityössä tutkitaan säästömuuntajaan perustuvaa jännitteenkorotinta, jolla voidaan vähentää jakeluverkon jännitteenalenemien aiheuttamia haittoja. Työssä tutkitaan laitteen eri kytkintopologioita sekä niiden ohjausmenetelmiä, joilla voidaan muuttaa säästömuuntajan käämikierrosmääriä sen ollessa kuormitettuna.

Modeling of burden distribution in the blast furnace

The blast furnace is the main ironmaking production unit in the world which converts iron ore with coke and hot blast into liquid iron, hot metal, which is used for steelmaking. The furnace acts as a counter-current reactor charged with layers of raw material of very different gas permeability. The arrangement of these layers, or burden distribution, is the most important factor influencing the gas flow conditions inside the furnace, which dictate the efficiency of the heat transfer and reduction processes. For proper control the furnace operators should know the overall conditions in the furnace and be able to predict how control actions affect the state of the furnace. However, due to high temperatures and pressure, hostile atmosphere and mechanical wear it is very difficult to measure internal variables. Instead, the operators have to rely extensively on measurements obtained at the boundaries of the furnace and make their decisions on the basis of heuristic rules and results from mathematical models. It is particularly difficult to understand the distribution of the burden materials because of the complex behavior of the particulate materials during charging. The aim of this doctoral thesis is to clarify some aspects of burden distribution and to develop tools that can aid the decision-making process in the control of the burden and gas distribution in the blast furnace. A relatively simple mathematical model was created for simulation of the distribution of the burden material with a bell-less top charging system. The model developed is fast and it can therefore be used by the operators to gain understanding of the formation of layers for different charging programs. The results were verified by findings from charging experiments using a small-scale charging rig at the laboratory. A basic gas flow model was developed which utilized the results of the burden distribution model to estimate the gas permeability of the upper part of the blast furnace. This combined formulation for gas and burden distribution made it possible to implement a search for the best combination of charging parameters to achieve a target gas temperature distribution. As this mathematical task is discontinuous and non-differentiable, a genetic algorithm was applied to solve the optimization problem. It was demonstrated that the method was able to evolve optimal charging programs that fulfilled the target conditions. Even though the burden distribution model provides information about the layer structure, it neglects some effects which influence the results, such as mixed layer formation and coke collapse. A more accurate numerical method for studying particle mechanics, the Discrete Element Method (DEM), was used to study some aspects of the charging process more closely. Model charging programs were simulated using DEM and compared with the results from small-scale experiments. The mixed layer was defined and the voidage of mixed layers was estimated. The mixed layer was found to have about 12% less voidage than layers of the individual burden components. Finally, a model for predicting the extent of coke collapse when heavier pellets are charged over a layer of lighter coke particles was formulated based on slope stability theory, and was used to update the coke layer distribution after charging in the mathematical model. In designing this revision, results from DEM simulations and charging experiments for some charging programs were used. The findings from the coke collapse analysis can be used to design charging programs with more stable coke layers.

Developing of Service Platform Thinking in Modern Electricity Distribution Business

Palvelukehitystoiminta sitoo huomattavan määrän resursseja ja on pitkäkestoista toimintaa. Innovatiivisuuteen tähtäämällä ja systemaattisella tuotekehitystyöllä yritys parantaa jatkuvuutta omassa liiketoiminnassaan. Alusta-ajattelu tuo uuden ulottuvuuden tuotteiden ja palveluiden kehitykseen. Alustan kehittäminen tukemaan tuote- ja palvelukehitystoimintaa ja yksinkertaistamaan tuote/palvelurakenteita antaa yrityksissä lisäpotentiaalia esimerkiksi lyhentyneiden kehitysaikojen, paremman kompleksisuuden hallinnan ja kustannustehokkuuden nousun myötä. Toimintojen tehostuminen yritystasolla saa aikaan mahdollisuuksien lisääntymisen nykyisillä liiketoimintasektoreilla. Palvelualustan kehityksellä päästään palvelurakenteen mallintamisen kautta parempaan liiketoiminnan hallitsemiseen ja systemaattisempaan tuotekehityksen läpivientiin. Palvelualustan yhtenä tärkeimpänä hyötynä on, että palvelun rakenteellisuus saadaan kuvattua alustaan. Lisäksi on tärkeää määritellä vastuutukset alustan kehityksessä, sekä pystyä mallintamaan informaation kulku (rajapinnat) prosesseissa.

1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu

Tässä työssä tutkitaan 1000 V pienjännitejakelun taloudellista kannattavuutta. Tutkimus perustuu teoreettiseen tarkasteluun, jossa noudatetaan yleisiä verkostosuunnittelun periaatteita. EU-lainsäädäntö mahdollistaa 1000 V pienjänniteportaan sijoittamisen nykyisen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon väliin lisäten kolmannen jakelujänniteportaan nykyään käytettävien 20 kV ja 0,4 kV väliin. Jakeluverkkojen kehittämiseksi on etsittävä ratkaisu, joka on taloudellinen sekä asiakkaiden että verkonhaltijoiden kannalta. Tällaiset ratkaisut pienentävät verkon käytön kokonaiskustannuksia ja parantavat sähkön laatua. Lisättäessä jakeluverkkoon kolmas jänniteporras, keskijänniteverkon johtopituus lyhenee ja varsinkin lyhyiden haarajohtojen määrä vähenee. Tämä vähentää keskijänniteverkossa esiintyvien keskeytysten määrää ja pienentää keskeytyskustannuksia. Kilovoltin järjestelmä on kannattava korvattaessa sillä osa keskijänniteverkkoa, tai estettäessä perinteisellä järjestelmällä tarvittava muuntopiirin jakaminen. Osana varsinaista pienjänniteverkkoa ei kilovoltinjärjestelmä ole kannattava. Tässä työssä kolmijänniteportaista jakeluverkkoa tutkitaan teoreettisilla verkkosuunnitelmilla, joita tehdään muutamille perusverkkotopologioille. Taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä kaksijänniteportaista ja kolmijänniteportaista verkkoratkaisua kustannusten suhteen teknisten reunaehtojen puitteissa. 1000 V pienjännitejakelu vaatii uudenlaisia verkostokomponentteja. Näistä on erityisesti käsitelty 1/0,4 kV pienjännitemuuntajaa. Muuntajasuunnittelun lähtökohtana on 1000 V verkon käyttäminen keskijänniteverkon jatkeena maasta erotettuna verkkona.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.

Impact of unsymmetrical loads in distribution networks

Since it is virtually impossible to balance loads in three-phase system, unbalance in a varying degree exists almost in all distribution networks. The aim of the thesis is to analyze the impact of this unbalance subject to different configurations of distribution system and winding connection of the supplying transformer. Also impact of the voltage unbalance on the equipment is investigated. In order to make the investigation more visual, the following calculations have been conducted: - Unsymmetrical load in four-wire star connected network - Unsymmetrical load in four-wire star connected network with broken zero conductor (or three-wire network). - Unsymmetrical load when the supplying transformer is so-called zigzag transformer. PDF created

Application of Computational Fluid Dynamics in Modeling Blood Flow in Human Thoracic Aorta

The aim of this study was to simulate blood flow in thoracic human aorta and understand the role of flow dynamics in the initialization and localization of atherosclerotic plaque in human thoracic aorta. The blood flow dynamics in idealized and realistic models of human thoracic aorta were numerically simulated in three idealized and two realistic thoracic aorta models. The idealized models of thoracic aorta were reconstructed with measurements available from literature, and the realistic models of thoracic aorta were constructed by image processing Computed Tomographic (CT) images. The CT images were made available by South Karelia Central Hospital in Lappeenranta. The reconstruction of thoracic aorta consisted of operations, such as contrast adjustment, image segmentations, and 3D surface rendering. Additional design operations were performed to make the aorta model compatible for the numerical method based computer code. The image processing and design operations were performed with specialized medical image processing software. Pulsatile pressure and velocity boundary conditions were deployed as inlet boundary conditions. The blood flow was assumed homogeneous and incompressible. The blood was assumed to be a Newtonian fluid. The simulations with idealized models of thoracic aorta were carried out with Finite Element Method based computer code, while the simulations with realistic models of thoracic aorta were carried out with Finite Volume Method based computer code. Simulations were carried out for four cardiac cycles. The distribution of flow, pressure and Wall Shear Stress (WSS) observed during the fourth cardiac cycle were extensively analyzed. The aim of carrying out the simulations with idealized model was to get an estimate of flow dynamics in a realistic aorta model. The motive behind the choice of three aorta models with distinct features was to understand the dependence of flow dynamics on aorta anatomy. Highly disturbed and nonuniform distribution of velocity and WSS was observed in aortic arch, near brachiocephalic, left common artery, and left subclavian artery. On the other hand, the WSS profiles at the roots of branches show significant differences with geometry variation of aorta and branches. The comparison of instantaneous WSS profiles revealed that the model with straight branching arteries had relatively lower WSS compared to that in the aorta model with curved branches. In addition to this, significant differences were observed in the spatial and temporal profiles of WSS, flow, and pressure. The study with idealized model was extended to study blood flow in thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. One of the idealized aorta models was modified along with the boundary conditions to mimic the thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. The results of simulations with realistic models extracted from CT scans demonstrated more realistic flow dynamics than that in the idealized models. During systole, the velocity in ascending aorta was skewed towards the outer wall of aortic arch. The flow develops secondary flow patterns as it moves downstream towards aortic arch. Unlike idealized models, the distribution of flow was nonplanar and heavily guided by the artery anatomy. Flow cavitation was observed in the aorta model which was imaged giving longer branches. This could not be properly observed in the model with imaging containing a shorter length for aortic branches. The flow circulation was also observed in the inner wall of the aortic arch. However, during the diastole, the flow profiles were almost flat and regular due the acceleration of flow at the inlet. The flow profiles were weakly turbulent during the flow reversal. The complex flow patterns caused a non-uniform distribution of WSS. High WSS was distributed at the junction of branches and aortic arch. Low WSS was distributed at the proximal part of the junction, while intermedium WSS was distributed in the distal part of the junction. The pulsatile nature of the inflow caused oscillating WSS at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Based on the WSS distribution in the realistic model, one of the aorta models was altered to induce artificial atherosclerotic plaque at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Atherosclerotic plaque causing 50% blockage of lumen was introduced in brachiocephalic artery, common carotid artery, left subclavian artery, and aortic arch. The aim of this part of the study was first to study the effect of stenosis on flow and WSS distribution, understand the effect of shape of atherosclerotic plaque on flow and WSS distribution, and finally to investigate the effect of lumen blockage severity on flow and WSS distributions. The results revealed that the distribution of WSS is significantly affected by plaque with mere 50% stenosis. The asymmetric shape of stenosis causes higher WSS in branching arteries than in the cases with symmetric plaque. The flow dynamics within thoracic aorta models has been extensively studied and reported here. The effects of pressure and arterial anatomy on the flow dynamic were investigated. The distribution of complex flow and WSS is correlated with the localization of atherosclerosis. With the available results we can conclude that the thoracic aorta, with complex anatomy is the most vulnerable artery for the localization and development of atherosclerosis. The flow dynamics and arterial anatomy play a role in the localization of atherosclerosis. The patient specific image based models can be used to diagnose the locations in the aorta vulnerable to the development of arterial diseases such as atherosclerosis.

Computational modeling of stented coronary arteries

The application of computational fluid dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA) has been growing rapidly in the various fields of science and technology. One of the areas of interest is in biomedical engineering. The altered hemodynamics inside the blood vessels plays a key role in the development of the arterial disease called atherosclerosis, which is the major cause of human death worldwide. Atherosclerosis is often treated with the stenting procedure to restore the normal blood flow. A stent is a tubular, flexible structure, usually made of metals, which is driven and expanded in the blocked arteries. Despite the success rate of the stenting procedure, it is often associated with the restenosis (re-narrowing of the artery) process. The presence of non-biological device in the artery causes inflammation or re-growth of atherosclerotic lesions in the treated vessels. Several factors including the design of stents, type of stent expansion, expansion pressure, morphology and composition of vessel wall influence the restenosis process. Therefore, the role of computational studies is crucial in the investigation and optimisation of the factors that influence post-stenting complications. This thesis focuses on the stent-vessel wall interactions followed by the blood flow in the post-stenting stage of stenosed human coronary artery. Hemodynamic and mechanical stresses were analysed in three separate stent-plaque-artery models. Plaque was modeled as a multi-layer (fibrous cap (FC), necrotic core (NC), and fibrosis (F)) and the arterial wall as a single layer domain. CFD/FEA simulations were performed using commercial software packages in several models mimicking the various stages and morphologies of atherosclerosis. The tissue prolapse (TP) of stented vessel wall, the distribution of von Mises stress (VMS) inside various layers of vessel wall, and the wall shear stress (WSS) along the luminal surface of the deformed vessel wall were measured and evaluated. The results revealed the role of the stenosis size, thickness of each layer of atherosclerotic wall, thickness of stent strut, pressure applied for stenosis expansion, and the flow condition in the distribution of stresses. The thicknesses of FC, and NC and the total thickness of plaque are critical in controlling the stresses inside the tissue. A small change in morphology of artery wall can significantly affect the distribution of stresses. In particular, FC is the most sensitive layer to TP and stresses, which could determine plaque’s vulnerability to rupture. The WSS is highly influenced by the deflection of artery, which in turn is dependent on the structural composition of arterial wall layers. Together with the stenosis size, their roles could play a decisive role in controlling the low values of WSS (<0.5 Pa) prone to restenosis. Moreover, the time dependent flow altered the percentage of luminal area with WSS values less than 0.5 Pa at different time instants. The non- Newtonian viscosity model of the blood properties significantly affects the prediction of WSS magnitude. The outcomes of this investigation will help to better understand the roles of the individual layers of atherosclerotic vessels and their risk to provoke restenosis at the post-stenting stage. As a consequence, the implementation of such an approach to assess the post-stented stresses will assist the engineers and clinicians in optimizing the stenting techniques to minimize the occurrence of restenosis.

CFD modeling of dispersion water feed in wastewater cleaning application

Fluid particle breakup and coalescence are important phenomena in a number of industrial flow systems. This study deals with a gas-liquid bubbly flow in one wastewater cleaning application. Three-dimensional geometric model of a dispersion water system was created in ANSYS CFD meshing software. Then, numerical study of the system was carried out by means of unsteady simulations performed in ANSYS FLUENT CFD software. Single-phase water flow case was setup to calculate the entire flow field using the RNG k-epsilon turbulence model based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. Bubbly flow case was based on a computational fluid dynamics - population balance model (CFD-PBM) coupled approach. Bubble breakup and coalescence were considered to determine the evolution of the bubble size distribution. Obtained results are considered as steps toward optimization of the cleaning process and will be analyzed in order to make the process more efficient.