Utilization of coal combustion residues in glass manufacturing process

The focus of paper is to asses and evaluate new utilisation method of coals combustion resides in glass manufacturing process. Mathematical model of glass manufacturing material balance was used to find favourable proportion of normally used batch materials and coal ash. It was found that possible to substitute up to 20 % of batch with coal ash. On the world glass production scale there is a potential to save 8,4 million tons of silica sand, 6 million tons of dolomite, 3 million tons of clay and 0,2 million tons of lime borate. Furthermore, potential to utilize 2 % of coal combustion products with suggested method.

Développement d’un système d’actionnement utilisant la combustion d’une source d’énergie chimique pour la robotique mobile

Les systèmes d’actionnement couramment utilisés sur les systèmes de robotiques mobiles tels que les exosquelettes ou les robots marcheurs sont majoritairement électriques. Les batteries couplées à des moteurs électriques souffrent toutefois d’une faible densité de stockage énergétique et une faible densité de puissance, ce qui limite l’autonomie de ces dispositifs pour une masse de système donnée. Une étude comparative des systèmes d’actionnement potentiels a permis de déterminer que l’utilisation d’une source d’énergie chimique permettait d’obtenir une densité de stockage énergétique supérieure aux batteries. De plus, il a été déterminé que l’utilisation de la combustion directement dans un actionneur pneumatique souple permettrait d’obtenir une densité de puissance beaucoup plus élevée que celle des moteurs électriques. La conception, la fabrication et la caractérisation de plusieurs types d’actionneurs pneumatiques pressurisés directement par la combustion d’une source d’énergie chimique ont permis d’évaluer la faisabilité de l’approche, dans un contexte de robotique mobile, plus précisément pour des tâches de locomotion. Les paramètres permettant d’obtenir une efficacité énergétique élevée ont été étudiés. Il a été démontré que le ratio de compression et le ratio d’expansion doivent être optimisés. De plus, comme les pertes thermiques sont le mécanisme de perte dominant, le ratio d’équivalence devrait être réduit au minimum. Parmi les carburants usuels, l’hydrogène permet d’atteindre les valeurs de ratio d’équivalence les plus faibles, ce qui en fait un choix de carburant idéal. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour corréler un modèle analytique d’un actionneur pneumatique à combustion. Ce modèle analytique est par la suite utilisé pour vérifier la faisabilité théorique de l’utilisation de l’approche d’actionnement pour fournir la puissance à un dispositif d’assistance à la locomotion.

Investigation expérimentale du décollement dans l’aspirateur d’une turbine bulbe

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence.

Development of variable displacement oil pump for internal combustion engines

In the last years the need to develop more environmentally friendly and efficient cars as led to the development of several technologies to improve the performance of internal combustion engines, a large part of the innovations are focused in the auxiliary systems of the engine, including, the oil pump, this is an element of great importance in the dynamics of the engine as well a considerable energy consumer. Most solutions for oil pumps to this day are fixed displacement, for medium and high speeds, the pump flow rate is higher than the needs of the engine, this excess flow leads to the need for recirculation of the fluid which represents a waste of energy. Recently, technological advances in this area have led to the creation of variable displacement oil pumps, these have become a 'must have' due to the numerous advantages they bring, although the working principle of vane or piston pumps is relatively well known, the application of this technology for the automotive industry is new and brings new challenges. The focus of this dissertation is to develop a new concept of variable displacement system for automotive oil pumps. The main objective is to obtain a concept that is totally adaptable to existing solutions on the market (engines), both dimensionally as in performance specifications, having at the same time an innovative mechanical system for obtaining variable displacement. The developed design is a vane pump with variable displacement going in line with existing commercial solutions, however, the variation of the eccentricity commonly used to provide an variable displacement delivery is not used, the variable displacement is achieved without varying the eccentricity of the system but with a variation of the length of the pumping chamber. The principle of operation of the pump is different to existing solutions while maintaining the ability to integrate standard parts such as control valves and mechanical safety valves, the pump is compatible with commercial solutions in terms of interfaces for connection between engine systems and pump. A concept prototype of the product was obtained in order to better evaluate the validity of the concept. The developed concept represents an innovation in oil pumps design, being unique in its mechanical system for variable displacement delivery.

Tests of the fatigue strength of steam turbine blade shapes : a report

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Flame-propagation rates in ammonia-air combustion at high pressure

The reluctance of ammonia to be ignited easily and the necessity to advance the spark for optimum performance in combustion engines led to this investigation. Ionization gap techniques showed that long induction times and slow flame speed were both contributors to the observed phenomena. The most important factor in determining combustion characteristics of ammonia was found to be the extent of predissociation prior to attempted ignition. There was evidence from combustion gas analysis that NO + was the probable most abundant ion contributing to succesful application of the ionization gap techniques, and that the NO + was probably produced in the pyrolysis of ammonia rather than by equilibrium reactions. © 1967 Combustion Institute.

Réduction de l'émission de particules fines issues de la combustion dans les poêles à bois

Dans cette étude, différentes configurations d’un poêle à bois sont comparées afin de caractériser les principaux facteurs influençant la formation de particules et leur rejet. Ainsi, les paramètres de conception d’un poêle à bois seront étudiés expérimentalement et à l’aide de la dynamique des fluides numérique pour découvrir les lignes directrices en ce qui concerne la réduction de l’émission de particules. La méthode expérimentale utilisée est une adaptation de celle utilisée par l’industrie pour la certification de poêle à bois développée par EPA/CSA. Afin de mieux décrire le comportement d’un concept de poêle à bois donné, à un taux de combustion donné, l’étude abordera également : la distribution de température interne, la composition des émissions gazeuses, le ratio air carburant (), l’efficacité globale du poêle, l’humidité et la distribution d’air à l’intérieur de la chambre de combustion. Le suivi de ces paramètres a permis de révéler leur influence significative sur les émissions en considérant les modifications et les conditions d’opération du poêle.

Combustion Instability and Active Control: Alternative Fuels, Augmentors, and Modeling Heat Release

Experimental and analytical studies were conducted to explore thermo-acoustic coupling during the onset of combustion instability in various air-breathing combustor configurations. These include a laboratory-scale 200-kW dump combustor and a 100-kW augmentor featuring a v-gutter flame holder. They were used to simulate main combustion chambers and afterburners in aero engines, respectively. The three primary themes of this work includes: 1) modeling heat release fluctuations for stability analysis, 2) conducting active combustion control with alternative fuels, and 3) demonstrating practical active control for augmentor instability suppression. The phenomenon of combustion instabilities remains an unsolved problem in propulsion engines, mainly because of the difficulty in predicting the fluctuating component of heat release without extensive testing. A hybrid model was developed to describe both the temporal and spatial variations in dynamic heat release, using a separation of variables approach that requires only a limited amount of experimental data. The use of sinusoidal basis functions further reduced the amount of data required. When the mean heat release behavior is known, the only experimental data needed for detailed stability analysis is one instantaneous picture of heat release at the peak pressure phase. This model was successfully tested in the dump combustor experiments, reproducing the correct sign of the overall Rayleigh index as well as the remarkably accurate spatial distribution pattern of fluctuating heat release. Active combustion control was explored for fuel-flexible combustor operation using twelve different jet fuels including bio-synthetic and Fischer-Tropsch types. Analysis done using an actuated spray combustion model revealed that the combustion response times of these fuels were similar. Combined with experimental spray characterizations, this suggested that controller performance should remain effective with various alternative fuels. Active control experiments validated this analysis while demonstrating 50-70\% reduction in the peak spectral amplitude. A new model augmentor was built and tested for combustion dynamics using schlieren and chemiluminescence techniques. Novel active control techniques including pulsed air injection were implemented and the results were compared with the pulsed fuel injection approach. The pulsed injection of secondary air worked just as effectively for suppressing the augmentor instability, setting up the possibility of more efficient actuation strategy.

Étude expérimentale de l'écoulement en entrée d'aspirateur d'une turbine bulbe

Ce mémoire présente l’étude expérimentale de l’écoulement d’entrée d’un aspirateur d’une turbine bulbe présentant une chute abrupte de performance. Des mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) ont été réalisées sur deux axes soit en aval des pales de la roue et en aval du moyeu de la roue. Une particularité de cette étude est la conception d’un montage permettant de mesurer la vitesse axiale proche de la paroi du cône. De plus, une méthode d’estimation de la vitesse radiale moyenne a été développée. Ces mesures ont permis de caractériser l’écoulement primaire et les écoulements secondaires et d’analyser leur évolution entre les deux axes. De plus, l’évolution de ces écoulements est analysée en fonction de la chute de performance de la turbine. Les principales particularités de l’écoulement sont la présence d’une recirculation sous le moyeu, d’une zone contrarotative, des sillages des directrices et des tourbillons de bout de pale.

Detached eddy simulation of unsteady turbulent flows in the draft tube of a bulb turbine

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l’aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d’opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l’efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l’entrée de l’aspirateur ont été explorés à l’aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d’énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l’écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales.

Performance assessment of a vertical axis turbine in a marine current flume tank and CFD modelling

As advances in numerical modelling techniques support the increased confidence in predictions from computer simulations, the need remains to have experimental verification built into the design process. This paper outlines the experimental investigation carried out on a shielded vertical axis turbine in a marine environment. The experiments consist of performance measurements and the use of particle image velocimetry on a small scale device in a marine current flume. The results demonstrate that the performance of the device can be modelled numerically; in particular, the results show that the numerical model used can correctly predict the increase in performance with Reynolds number.

Effects of incomplete combustion on atmospheric chemistry: Black carbon climate forcing and global carbon monoxide emissions

This thesis is actually the composition of two separate studies aimed at further understanding the role of incomplete combustion products on atmospheric chemistry. The first explores the sensitivity of black carbon (BC) forcing to aerosol vertical location since BC has an increased forcing per unit mass when it is located above reflective clouds. We used a column radiative transfer model to produce globally-averaged values of normalized direct radiative forcing (NDRF) for BC over and under different types of clouds. We developed a simple column-weighting scheme based on the mass fractions of BC that are over and under clouds in measured vertical profiles. The resulting NDRF is in good agreement with global 3-D model estimates, supporting the column-weighted model as a tool for exploring uncertainties due to diversity in vertical distribution. BC above low clouds accounts for about 20% of the global burden but 50% of the forcing. We estimate maximum-minimum spread in NDRF due to modeled profiles as about 40% and uncertainty as about 25%. Models overestimate BC in the upper troposphere compared with measurements; modeled NDRF might need to be reduced by about 15%. Redistributing BC within the lowest 4 km of the atmosphere affects modeled NDRF by only about 5% and cannot account for very high forcing estimates. The second study estimated global year 2000 carbon monoxide (CO) emissions using a traditional bottom-up inventory. We applied literature-derived emission factors to a variety of fuel and technology combinations. Combining these with regional fuel use and production data we produced CO emissions estimates that were separable by sector, fuel type, technology, and region. We estimated year 2000 stationary source emissions of 685.9 Tg/yr and 885 Tg/yr if we included adopted mobile sources from EDGAR v3.2FT2000. Open/biomass burning contributed most significantly to global CO burden, while the residential sector, primarily in Asia and Africa, were the largest contributors with respect to contained combustion sources. Industry production in Asia, including brick, cement, iron and steel-making, also contributed significantly to CO emissions. Our estimates of biofuel emissions are lower than most previously published bottom-up estimates while our other fuel emissions are generally in good agreement. Our values are also universally lower than recently estimated CO emissions from models using top-down methods.

Probabilistic design optimization of horizontal axis wind turbine rotors

Considerable interest in renewable energy has increased in recent years due to the concerns raised over the environmental impact of conventional energy sources and their price volatility. In particular, wind power has enjoyed a dramatic global growth in installed capacity over the past few decades. Nowadays, the advancement of wind turbine industry represents a challenge for several engineering areas, including materials science, computer science, aerodynamics, analytical design and analysis methods, testing and monitoring, and power electronics. In particular, the technological improvement of wind turbines is currently tied to the use of advanced design methodologies, allowing the designers to develop new and more efficient design concepts. Integrating mathematical optimization techniques into the multidisciplinary design of wind turbines constitutes a promising way to enhance the profitability of these devices. In the literature, wind turbine design optimization is typically performed deterministically. Deterministic optimizations do not consider any degree of randomness affecting the inputs of the system under consideration, and result, therefore, in an unique set of outputs. However, given the stochastic nature of the wind and the uncertainties associated, for instance, with wind turbine operating conditions or geometric tolerances, deterministically optimized designs may be inefficient. Therefore, one of the ways to further improve the design of modern wind turbines is to take into account the aforementioned sources of uncertainty in the optimization process, achieving robust configurations with minimal performance sensitivity to factors causing variability. The research work presented in this thesis deals with the development of a novel integrated multidisciplinary design framework for the robust aeroservoelastic design optimization of multi-megawatt horizontal axis wind turbine (HAWT) rotors, accounting for the stochastic variability related to the input variables. The design system is based on a multidisciplinary analysis module integrating several simulations tools needed to characterize the aeroservoelastic behavior of wind turbines, and determine their economical performance by means of the levelized cost of energy (LCOE). The reported design framework is portable and modular in that any of its analysis modules can be replaced with counterparts of user-selected fidelity. The presented technology is applied to the design of a 5-MW HAWT rotor to be used at sites of wind power density class from 3 to 7, where the mean wind speed at 50 m above the ground ranges from 6.4 to 11.9 m/s. Assuming the mean wind speed to vary stochastically in such range, the rotor design is optimized by minimizing the mean and standard deviation of the LCOE. Airfoil shapes, spanwise distributions of blade chord and twist, internal structural layup and rotor speed are optimized concurrently, subject to an extensive set of structural and aeroelastic constraints. The effectiveness of the multidisciplinary and robust design framework is demonstrated by showing that the probabilistically designed turbine achieves more favorable probabilistic performance than those of the initial baseline turbine and a turbine designed deterministically.

Characterization of sea water ageing effects on mechanical properties of carbon/epoxy composites for tidal turbine blades

In recent years, many tidal turbine projects have been developed using composites blades. Tidal turbine blades are subject to ocean forces and sea water aggressions, and the reliability of these components is crucial to the profitability of ocean energy recovery systems. The majority of tidal turbine developers have preferred carbon/epoxy blades, so there is a need to understand how prolonged immersion in the ocean affects these composites. In this study the long term behaviour of different carbon/epoxy composites has been studied using accelerated ageing tests. A significant reduction of composite strengths has been observed after saturation of water in the material. For longer immersions only small further changes in these properties occur. No significant changes have been observed for moduli nor for composite toughness. The effect of sea water ageing on damage thresholds and kinetics has been studied and modelled. After saturation, the damage threshold is modified while kinetics of damage development remain the same.