A numerical study of temperature effects on hot wire measurements inside turbulent channel flows

A way to investigate turbulence is through experiments where hot wire measurements are performed. Analysis of the in turbulence of a temperature gradient on hot wire measurements is the aim of this thesis work. Actually - to author's knowledge - this investigation is the first attempt to document, understand and ultimately correct the effect of temperature gradients on turbulence statistics. However a numerical approach is used since instantaneous temperature and streamwise velocity fields are required to evaluate this effect. A channel flow simulation at Re_tau = 180 is analyzed to make a first evaluation of the amount of error introduced by temperature gradient inside the domain. Hot wire data field is obtained processing the numerical flow field through the application of a proper version of the King's law, which connect voltage, velocity and temperature. A drift in mean streamwise velocity profile and rms is observed when temperature correction is performed by means of centerline temperature. A correct mean velocity pro�le is achieved correcting temperature through its mean value at each wall normal position, but a not negligible error is still present into rms. The key point to correct properly the sensed velocity from the hot wire is the knowledge of the instantaneous temperature field. For this purpose three correction methods are proposed. At the end a numerical simulation at Re_tau =590 is also evaluated in order to confirm the results discussed earlier.

Studio e ottimizzazione della ipersostentazione del velivolo V-173

Studio della ipersostentazione di un velivolo non convenzionale degli anni ‘40, il Vought V-173 Flying Pancake. Per realizzare l’intero lavoro si sono adoperati dei software di fluidodinamica computazionale come Flow Simulation di SolidWorks e il programma JavaFoil, inoltre, si è scelto l’ambiente Matlab di supporto ai calcoli e per rappresentare i risultati ottenuti a seguito delle simulazioni, realizzando script e funzioni per l’approssimazione di questi e la loro successiva raffigurazione grafica. In particolar modo, a partire dal modello tridimensionale in SolidWorks del V-173 si sono ricreate le curve CL-α e CD-α a partire dai punti ottenuti dalle simulazioni per diverse configurazioni del velivolo. In una prima fase si è valutata l’aerodinamica del velivolo ‘pulito’ senza la presenza delle eliche e di ipersostentatori, successivamente si sono seguite due strade diverse per valutare il comportamento del velivolo: nel primo caso si sono eseguiti studi dell’aerodinamica del Pancake in presenza degli ipersostentatori già presenti sul velivolo (i plain flap), proponendo soluzioni alternative per migliorare l’ipersostentazione del V-173 tramite spillamenti (slots) e diverse configurazioni di vortex generator che energizzassero lo strato limite e ottimizzassero le prestazioni del velivolo con particolare attenzione alla fase di atterraggio. In secondo luogo, tenendo in considerazione che il Pancake è un aeroplano bielica, si è voluta studiare l’influenza delle due eliche sulla sua aerodinamica: dopo aver riprodotto nel modo più verosimile entrambe le eliche utilizzando SolidWorks si è fatto uno studio di massima ricavando risultati che potessero indicare la compatibilità tra elica e velivolo a seguito dei risultati sperimentali ottenuti con Flow Simulation.

Studio e ottimizzazione dell'aerodinamica della vettura Astura

Studio del coefficiente di resistenza aerodinamica, della potenza aerodinamica e del comportamento in caso di raffica di vento laterale, su un modello del restyling della vettura Astura, disegnato in SolidWorks. Attraverso le simulazioni in una galleria del vento fittizia realizzata in Flow Simulation si è ottenuta la resistenza aerodinamica del modello. Da questa è stato possibile ottenere il valore del coefficiente di resistenza e la potenza aerodinamica assorbita. Il coefficiente di resistenza è stato confrontato con quello di veicoli presenti sul mercato. Si è poi studiato il comportamento della vettura in caso di raffica laterale, ricorrendo all'ellisse di aderenza degli pneumatici e verificando che la stabilità con raffiche fino a 150 km/h non venga compromessa. Lo stesso stuido è stato fatto nel caso in cui si inizi una frenata sempre sotto l'influenza di una raffica laterale; si è visto che, al fine di non perdere aderenza, lo spazio di frenata deve aumentare. Si è quindi calcolato lo spazio minimo necessario per la frenata, in presenza di una raffica di 150 km/h, senza che si verifichi una perdita di aderenza.

Dimensionamento del sistema di ventilazione, valutazione delle atmosfere esplosive e studio fluidodinamico della centrale di compressione gas di Poggio Renatico

Progetto relativo al sistema di ventilazione di un cabinato contenente una centrale di compressione di gas naturale da immettere nella rete nazionale. La centrale è sita a Poggio Renatico. Il progetto è suddiviso in tre parti: - dimensionamento e posizionamento dell'impianto di ventilazione; - valutazione delle atmosfere esplosive, con la Guida CEI 31-35; - studio fluidodinamico interno al cabinato, con Solidworks Flow Simulation.

Analisi di fattibilità della conversione del velivolo V-173 per il volo ad alta quota

Studio di fattibilità della conversione del Vought V-173 per il volo ad alta quota. Per realizzare l'intero lavoro si è adoperato il software di fluidodinamica computazionale Flow Simulation di SolidWorks e si è scelto l'ambiente Matlab per la fase di elaborazione e presentazione dati. A partire dal modello tridimensionale in SolidWorks del V-173 si sono ricreate le curve CL e CD a partire dai punti ottenuti dalle simulazioni per diverse configurazioni del velivolo. Si è valutata l'aerodinamica del velivolo senza la presenza di eliche e di ipersostentatori e successivamente si sono seguite due strade diverse per valutare il comportamento del velivolo: nel primo caso si sono eseguiti studi dell'aerodinamica del Pancake in presenza degli ipersostentatori già presenti sul velivolo originario (i plain flap). In secondo luogo, tenendo in considerazione che il Pancake è un aeroplano bielica, si è voluta studiare l'influenza delle due eliche sulla sua aerodinamica: dopo aver riprodotto nel modo più verosimile entrambe le eliche utilizzando SolidWorks si è fatto uno studio di massima ricavando risultati che potessero indicare la compatibilità tra elica e velivolo a seguito dei risultati sperimentali ottenuti con Flow Simulation. Questa parte è stata realizzata per lo stesso tipo di elica tripala, ma prendendo in considerazione due diversi diametri, una di 4:9m e una da 2:5m.

Testing of subgrid scale (SGS) models for large-eddy simulation (LES) of turbulent channel flow

Sub-grid scale (SGS) models are required in order to model the influence of the unresolved small scales on the resolved scales in large-eddy simulations (LES), the flow at the smallest scales of turbulence. In the following work two SGS models are presented and deeply analyzed in terms of accuracy through several LESs with different spatial resolutions, i.e. grid spacings. The first part of this thesis focuses on the basic theory of turbulence, the governing equations of fluid dynamics and their adaptation to LES. Furthermore, two important SGS models are presented: one is the Dynamic eddy-viscosity model (DEVM), developed by \cite{germano1991dynamic}, while the other is the Explicit Algebraic SGS model (EASSM), by \cite{marstorp2009explicit}. In addition, some details about the implementation of the EASSM in a Pseudo-Spectral Navier-Stokes code \cite{chevalier2007simson} are presented. The performance of the two aforementioned models will be investigated in the following chapters, by means of LES of a channel flow, with friction Reynolds numbers $Re_\tau=590$ up to $Re_\tau=5200$, with relatively coarse resolutions. Data from each simulation will be compared to baseline DNS data. Results have shown that, in contrast to the DEVM, the EASSM has promising potentials for flow predictions at high friction Reynolds numbers: the higher the friction Reynolds number is the better the EASSM will behave and the worse the performances of the DEVM will be. The better performance of the EASSM is contributed to the ability to capture flow anisotropy at the small scales through a correct formulation for the SGS stresses. Moreover, a considerable reduction in the required computational resources can be achieved using the EASSM compared to DEVM. Therefore, the EASSM combines accuracy and computational efficiency, implying that it has a clear potential for industrial CFD usage.

Analysis and optimisation of books flow among branches through simulation: the case of Trondheim’s Public Library

Il presente lavoro di tesi verte sull’analisi e l’ottimizzazione dei flussi di libri generati tra le diverse sedi della biblioteca pubblica, Trondheim folkebibliotek, situata a Trondheim, città del nord norvegese. La ricerca si inserisce nell’ambito di un progetto pluriennale, SmartLIB, che questa sta intraprendendo con l’università NTNU - Norwegian University of Science and Technology. L’obiettivo di questa tesi è quello di analizzare possibili soluzioni per ottimizzare il flusso di libri generato dagli ordini dei cittadini. Una prima fase di raccolta ed analisi dei dati è servita per avere le informazioni necessarie per procedere nella ricerca. Successivamente è stata analizzata la possibilità di ridurre i flussi andando ad associare ad ogni dipartimento la quantità di copie necessarie per coprire il 90% della domanda, seguendo la distribuzione di Poisson. In seguito, sono state analizzate tre soluzioni per ottimizzare i flussi generati dai libri, il livello di riempimento dei box ed il percorso del camion che giornalmente visita tutte le sedi della libreria. Di supporto per questo secondo studio è stato il Vehicle Routing Problem (VRP). Un modello simulativo è stato creato su Anylogic ed utilizzato per validare le soluzioni proposte. I risultati hanno portato a proporre delle soluzioni per ottimizzare i flussi complessivi, riducendo il delay time di consegna dei libri del 50%, ad una riduzione del 53% del flusso di box e ad una conseguente aumento del 44% del tasso di riempimento di ogni box. Possibili future implementazioni delle soluzioni trovate corrispondono all’installazione di una nuova Sorting Machine nella sede centrale della libreria ed all’implementazione sempre in quest’ultima di un nuovo schedule giornaliero.

Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Feasibility study and flow scheduling optimization of a multi-product pipeline system

The first goal of this study is to analyse a real-world multiproduct onshore pipeline system in order to verify its hydraulic configuration and operational feasibility by constructing a simulation model step by step from its elementary building blocks that permits to copy the operation of the real system as precisely as possible. The second goal is to develop this simulation model into a user-friendly tool that one could use to find an “optimal” or “best” product batch schedule for a one year time period. Such a batch schedule could change dynamically as perturbations occur during operation that influence the behaviour of the entire system. The result of the simulation, the ‘best’ batch schedule is the one that minimizes the operational costs in the system. The costs involved in the simulation are inventory costs, interface costs, pumping costs, and penalty costs assigned to any unforeseen situations. The key factor to determine the performance of the simulation model is the way time is represented. In our model an event based discrete time representation is selected as most appropriate for our purposes. This means that the time horizon is divided into intervals of unequal lengths based on events that change the state of the system. These events are the arrival/departure of the tanker ships, the openings and closures of loading/unloading valves of storage tanks at both terminals, and the arrivals/departures of trains/trucks at the Delivery Terminal. In the feasibility study we analyse the system’s operational performance with different Head Terminal storage capacity configurations. For these alternative configurations we evaluated the effect of different tanker ship delay magnitudes on the number of critical events and product interfaces generated, on the duration of pipeline stoppages, the satisfaction of the product demand and on the operative costs. Based on the results and the bottlenecks identified, we propose modifications in the original setup.

Development of the Simulation Model for the CoSES Laboratory Test Microgrid in Modelica

Evolution of the traditional consumer in a power system to a prosumer has posed many problems in the traditional uni-directional grid. This evolution in the grid model has made it important to study the behaviour of microgrids. This thesis deals with the laboratory microgrid setup at the Munich School of Engineering, built to assist researchers in studying microgrids. The model is built in Dymola which is a tool for the OpenModelica language. Models for the different components were derived, suiting the purpose of this study. The equivalent parameters were derived from data sheets and other simulation programs such as PSCAD. The parameters were entered into the model grid and tested at steady state, firstly. This yielded satisfactory results that were similar to the reference results from MATPOWER power flow. Furthermore, fault conditions at several buses were simulated to observe the behaviour of the grid under these conditions. Recommendations for further developing this model to include more detailed models for components, such as power electronic converters, were made at the end of the thesis.