Estudi de l’eficiència aerodinàmica de vehicles pesants de transport de passatgers

Estudi de l’eficiència aerodinàmica de les carrosseries de vehicles pesants de cara a reduir el consum de combustible en autocars de llarg trajecte. L’estudi es basa en tres aspectes: validació del programa de simulació, estudi aerodinàmic de diferents carrosseries d’autocar de mercat i estudi aerodinàmic de diferents complements

Improved Methods for Determining Wind Loads on Highway Sign and Traffic-Signal Structures, TR-559, 2007

The main objective of the proposed study is to use Computational Fluid Dynamics (CFD) tools to determine the wind loads by accurate numerical simulations of air flow characteristics around large highway sign structures under severe wind speeds conditions. Fully three-dimensional Reynolds- Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations are used to estimate the total force on different panels, as well as the actual pressure distribution on the front and back faces of the panels. In particular, the present study investigates the effects of aspect ratio and sign spacing for regular panels, the effect of sign depth for the dynamic message signs that are now being used on Iowa highways, the effect induced by the presence of back-to-back signs, the effect of the presence of add-on exit signs, and the effect of the presence of trucks underneath the signs potentially creating “wind tunnel” effect.

Wind Loads on Dynamic Message Cabinets and Behavior of Supporting Trusses, TR-612, 2013

Large Dynamic Message Signs (DMSs) have been increasingly used on freeways, expressways and major arterials to better manage the traffic flow by providing accurate and timely information to drivers. Overhead truss structures are typically employed to support those DMSs allowing them to provide wider display to more lanes. In recent years, there is increasing evidence that the truss structures supporting these large and heavy signs are subjected to much more complex loadings than are typically accounted for in the codified design procedures. Consequently, some of these structures have required frequent inspections, retrofitting, and even premature replacement. Two manufacturing processes are primarily utilized on truss structures - welding and bolting. Recently, cracks at welding toes were reported for the structures employed in some states. Extremely large loads (e.g., due to high winds) could cause brittle fractures, and cyclic vibration (e.g., due to diurnal variation in temperature or due to oscillations in the wind force induced by vortex shedding behind the DMS) may lead to fatigue damage, as these are two major failures for the metallic material. Wind and strain resulting from temperature changes are the main loads that affect the structures during their lifetime. The American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) Specification defines the limit loads in dead load, wind load, ice load, and fatigue design for natural wind gust and truck-induced gust. The objectives of this study are to investigate wind and thermal effects in the bridge type overhead DMS truss structures and improve the current design specifications (e.g., for thermal design). In order to accomplish the objective, it is necessary to study structural behavior and detailed strain-stress of the truss structures caused by wind load on the DMS cabinet and thermal load on the truss supporting the DMS cabinet. The study is divided into two parts. The Computational Fluid Dynamics (CFD) component and part of the structural analysis component of the study were conducted at the University of Iowa while the field study and related structural analysis computations were conducted at the Iowa State University. The CFD simulations were used to determine the air-induced forces (wind loads) on the DMS cabinets and the finite element analysis was used to determine the response of the supporting trusses to these pressure forces. The field observation portion consisted of short-term monitoring of several DMS Cabinet/Trusses and long-term monitoring of one DMS Cabinet/Truss. The short-term monitoring was a single (or two) day event in which several message sign panel/trusses were tested. The long-term monitoring field study extended over several months. Analysis of the data focused on trying to identify important behaviors under both ambient and truck induced winds and the effect of daily temperature changes. Results of the CFD investigation, field experiments and structural analysis of the wind induced forces on the DMS cabinets and their effect on the supporting trusses showed that the passage of trucks cannot be responsible for the problems observed to develop at trusses supporting DMS cabinets. Rather the data pointed toward the important effect of the thermal load induced by cyclic (diurnal) variations of the temperature. Thermal influence is not discussed in the specification, either in limit load or fatigue design. Although the frequency of the thermal load is low, results showed that when temperature range is large the restress range would be significant to the structure, especially near welding areas where stress concentrations may occur. Moreover stress amplitude and range are the primary parameters for brittle fracture and fatigue life estimation. Long-term field monitoring of one of the overhead truss structures in Iowa was used as the research baseline to estimate the effects of diurnal temperature changes to fatigue damage. The evaluation of the collected data is an important approach for understanding the structural behavior and for the advancement of future code provisions. Finite element modeling was developed to estimate the strain and stress magnitudes, which were compared with the field monitoring data. Fatigue life of the truss structures was also estimated based on AASHTO specifications and the numerical modeling. The main conclusion of the study is that thermal induced fatigue damage of the truss structures supporting DMS cabinets is likely a significant contributing cause for the cracks observed to develop at such structures. Other probable causes for fatigue damage not investigated in this study are the cyclic oscillations of the total wind load associated with the vortex shedding behind the DMS cabinet at high wind conditions and fabrication tolerances and induced stresses due to fitting of tube to tube connections.

Controlling anomalous stresses in soft field-responsive systems

We report a phenomenon occurring in field-responsive suspensions: shear-induced anomalous stresses. Competition between a rotating field and a shear flow originates a multiplicity of anomalous stress behaviors in suspensions of bound dimers constituted by induced dipoles. The great variety of stress regimes includes nonmonotonic behaviors, multiresonances, negative viscosity effect, and blockades. The reversibility of the transitions between the different regimes and the self-similarity of the stresses make this phenomenon controllable and therefore applicable to modify macroscopic properties of soft condensed matter phases.

Amplification and displacement of chaotic attractors by means of unidirectional chaotic driving

Chaotic systems, when used to drive copies of themselves (or parts of themselves) may induce interesting behaviors in the driven system. In case the later exhibits invariance under amplification or translation, they may show amplification (reduction), or displacement of the attractor. It is shown how the behavior to be obtained is implied by the symmetries involved. Two explicit examples are studied to show how these phenomena manifest themselves under perfect and imperfect coupling.

Synchronization of symmetric chaotic systems

This paper contains a study of the synchronization by homogeneous nonlinear driving of systems that are symmetric in phase space. The main consequence of this symmetry is the ability of the response to synchronize in more than just one way to the driving systems. These different forms of synchronization are to be understood as generalized synchronization states in which the motions of drive and response are in complete correlation, but the phase space distance between them does not converge to zero. In this case the synchronization phenomenon becomes enriched because there is multistability. As a consequence, there appear multiple basins of attraction and special responses to external noise. It is shown, by means of a computer simulation of various nonlinear systems, that: (i) the decay to the generalized synchronization states is exponential, (ii) the basins of attraction are symmetric, usually complicated, frequently fractal, and robust under the changes in the parameters, and (iii) the effect of external noise is to weaken the synchronization, and in some cases to produce jumps between the various synchronization states available

Chaotic systems with a null conditional Lyapunov exponent under nonlinear driving.

Control of a chaotic system by homogeneous nonlinear driving, when a conditional Lyapunov exponent is zero, may give rise to special and interesting synchronizationlike behaviors in which the response evolves in perfect correlation with the drive. Among them, there are the amplification of the drive attractor and the shift of it to a different region of phase space. In this paper, these synchronizationlike behaviors are discussed, and demonstrated by computer simulation of the Lorentz model [E. N. Lorenz, J. Atmos. Sci. 20 130 (1963)] and the double scroll [T. Matsumoto, L. O. Chua, and M. Komuro, IEEE Trans. CAS CAS-32, 798 (1985)].

Impingement jet cooling of end windings in a high-speed electric machine

The rotational speed of high-speed electric machines is over 15 000 rpm. These machines are compact in size when compared to the power rate. As a consequence, the heat fluxes are at a high level and the adequacy of cooling becomes an important design criterion. In the high-speed machines, the air gap between the stator and rotor is a narrow flow channel. The cooling air is produced with a fan and the flow is then directed to the air gap. The flow in the gap does not provide sufficient cooling for the stator end windings, and therefore additional cooling is required. This study investigates the heat transfer and flow fields around the coil end windings when cooling jets are used. As a result, an innovative and new assembly is introduced for the cooling jets, with the benefits of a reduced amount of hot spots, a lower pressure drop, and hence a lower power need for the cooling fan. The gained information can also be applied to improve the cooling of electric machines through geometry modifications. The objective of the research is to determine the locations of the hot spots and to find out induced pressure losses with different jet alternatives. Several possibilities to arrange the extra cooling are considered. In the suggested approach cooling is provided by using a row of air jets. The air jets have three main tasks: to cool the coils effectively by direct impingement jets, to increase and cool down the flow that enters the coil end space through the air gap, and to ensure the correct distribution of the flow by forming an air curtain with additional jets. One important aim of this study is the arrangement of cooling jets in such manner that hot spots can be avoided to wide extent. This enables higher power density in high-speed motors. This cooling system can also be applied to the ordinary electric machines when efficient cooling is needed. The numerical calculations have been performed using a commercial Computational Fluid Dynamics software. Two geometries have been generated: cylindrical for the studied machine and Cartesian for the experimental model. The main parameters include the positions, arrangements and number of jets, the jet diameters, and the jet velocities. The investigated cases have been tested with two widely used turbulence models and using a computational grid of over 500 000 cells. The experimental tests have been made by using a simplified model for the end winding space with cooling jets. In the experiments, an emphasis has been given to flow visualisation. The computational analysis shows good agreement with the experimental results. Modelling of the cooling jet arrangement enables also a better understanding of the complex system of heat transfer at end winding space.

Computational and Experimental Analysis of Flow Field in the Diffusers of Centrifugal Compressors

Centrifugal compressors are widely used for example in process industry, oil and gas industry, in small gas turbines and turbochargers. In order to achieve lower consumption of energy and operation costs the efficiency of the compressor needs to be improve. In the present work different pinches and low solidity vaned diffusers were utilized in order to improve the efficiency of a medium size centrifugal compressor. In this study, pinch means the decrement of the diffuser flow passage height. First different geometries were analyzed using computational fluid dynamics. The flow solver Finflo was used to solve the flow field. Finflo is a Navier-Stokes solver. The solver is capable to solve compressible, incompressible, steady and unsteady flow fields. Chien's k-e turbulence model was used. One of the numerically investigated pinched diffuser and one low solidity vaned diffuser were studied experimentally. The overall performance of the compressor and the static pressure distribution before and after the diffuser were measured. The flow entering and leaving the diffuser was measured using a three-hole Cobra-probe and Kiel-probes. The pinch and the low solidity vaned diffuser increased the efficiency of the compressor. Highest isentropic efficiency increment obtained was 3\% of the design isentropic efficiency of the original geometry. It was noticed in the numerical results that the pinch made to the hub and the shroud wall was most beneficial to the operation of the compressor. Also the pinch made to the hub was better than the pinchmade to the shroud. The pinch did not affect the operation range of the compressor, but the low solidity vaned diffuser slightly decreased the operation range.The unsteady phenomena in the vaneless diffuser were studied experimentally andnumerically. The unsteady static pressure was measured at the diffuser inlet and outlet, and time-accurate numerical simulation was conducted. The unsteady static pressure showed that most of the pressure variations lay at the passing frequency of every second blade. The pressure variations did not vanish in the diffuser and were visible at the diffuser outlet. However, the amplitude of the pressure variations decreased in the diffuser. The time-accurate calculations showed quite a good agreement with the measured data. Agreement was very good at the design operation point, even though the computational grid was not dense enough inthe volute and in the exit cone. The time-accurate calculation over-predicted the amplitude of the pressure variations at high flow.

Säätöventtiilin virtaustekniset ominaisuudet

Virtauslaskennan käyttö jokapäiväisessä insinöörityössä on lisääntynyt viime vuosina nopeaa vauhtia. Virtauslaskennan avulla voidaan tutkia säätöventtiilin virtauskenttää, mikä antaa suunnittelijalle mahdollisuuden korjata virtauskanavan ongelmakohtia jo tuotekehityksen alkuvaiheessa. Tämändiplomityön tavoitteena on määrittää uuden säätöventtiilin mitoituskertoimet jatutkia virtauslaskennan käytettävyyttä säätöventtiilisuunnittelussa. Teoreettisessa tarkastelussa on käsitelty venttiilivirtaukselle ominaisia virtausteknisiä yhtälöitä ja ilmiöitä, säätöventtiilin standardin määräämiä mitoitusyhtälöitä sekä neste- että kaasumelua. Lisäksi kerrotaan yleisimmistä säätöventtiilisovellutuksista ja esitellään suunnitteilla oleva uusi säätöventtiili. Virtauslaskennan avulla tutkittiin venttiilin kapasiteettiaja virtauskenttää. Alustavaa laskentaa tehtiin venttiilin paineenpalautumiskertoimen ja alkavan kavitaation määrittämiseksi. Virtauslaskenta tehtiin Fluent ja Cfdesign -virtauslaskentaohjelmilla. Virtauslaskennan antamia tuloksia verrattiin laboratoriossa saatuihin mittaustuloksiin. Laboratoriokokeiden avulla määritettiin uuden säätöventtiilin mitoituskertoimet. Lisäksi mitattiin säätöventtiilin aiheuttamaa neste- ja kaasumelua.

Lasirakenteiden aiheuttamien konvektiovirtausten hallinta lattialämmitysjärjestelmässä

Diplomityössä suoritettiin Lappeenrannassa uudessa asuntokerrostalossa asumisviihtyvyysmittauksia vuonna 2002. Kohteessa on koneellinen poistoilmanvaihto, jossa raitisilma johdetaan huonetilaan ikkunan yläpuolella sijaitsevien rakomaisten raitisilmaventtiilien kautta, sekä vesikiertoinen lattialämmitys. Diplomityössä kehitettiin Fluent-virtauslaskentaohjelmalla kaksiuloitteinen malli asuntokerrostalon huoneesta. Kehitettyä simulointimenetelmää käytettiin huoneen lämpöolosuhteiden hallinnan kehittämisessä mallintamalla tilan ilmavirtauskentälle yksityiskohtainen lämpötila- ja nopeusjakauma. Huoneen ilman nopeus- ja lämpötilajakaumaa tarkasteltiin eri lattia- ja ikkunapinnan lämpötiloilla, eri geometrioilla ja käyttäeneri virtauksia kuvaavia malleja. Huoneesta simuloitiin 12 eri tapausta, joista valittiin parhaiten mittaustuloksiin sopiva. Tähän tapaukseen tehtiin muutoksia lattia- ja ikkunapinnan lämpötiloihin. Työssä selvitettiin, kuinka nämä muutokset vaikuttavat huoneen nopeus- ja lämpötilajakaumiin.

Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Simulation of Boundary Layers and Heat Transfer in the Entrance Region of Pipes

The study of fluid flow in pipes is one of the main topic of interest for engineers in industries. In this thesis, an effort is made to study the boundary layers formed near the wall of the pipe and how it behaves as a resistance to heat transfer. Before few decades, the scientists used to derive the analytical and empirical results by hand as there were limited means available to solve the complex fluid flow phenomena. Due to the increase in technology, now it has been practically possible to understand and analyze the actual fluid flow in any type of geometry. Several methodologies have been used in the past to analyze the boundary layer equations and to derive the expression for heat transfer. An integral relation approach is used for the analytical solution of the boundary layer equations and is compared with the FLUENT simulations for the laminar case. Law of the wall approach is used to derive the empirical correlation between dimensionless numbers and is then compared with the results from FLUENT for the turbulent case. In this thesis, different approaches like analytical, empirical and numerical are compared for the same set of fluid flow equations.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.