Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Sviluppo dell'interfaccia per il caricamento della geometria iniziale del propellente solido di un modello balistico

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione balistica di razzi a propellente solido, è volto alla creazione di un’interfaccia che permetta il caricamento delle geometrie dei motori desiderati, in formato SPP, nel codice di simulazione balistica ROBOOST come richiesto da Avio Spa. In particolare saranno descritte le procedure attraverso le quali tale interfaccia è stata realizzata e verranno analizzati i passaggi mediante i quali è possibile ottenere una mesh 3D del motore a propellente solido partendo dalla sua geometria in formato SPP. Si analizzerà inoltre il processo di chiusura di una mesh estratta da una qualsiasi iterazione della simulazione al fine di potervi effettuare delle simulazioni CFD sempre su richiesta della sopracitata azienda. Infine verranno mostrati e discussi i risultati ottenuti per meglio visualizzare il lavoro svolto.

Simulazioni multifase del flusso di iniettori per applicazioni a motori gdi

Questo lavoro si concentra sullo studio fluidodinamico del flusso multifase cavitante di un iniettore per applicazioni a motori ad iniezione diretta (GDI). L’analisi è stata svolta tramite l’uso del software CFD (Computational Fluid Dynamics) Star-CCM+^® sviluppato da CD-ADAPCO. L’obiettivo di questo studio è investigare i motivi che portano ad un diverso comportamento tra i rilievi della prova sperimentale di caratterizzazione dell’iniettore e quanto atteso dai valori nominali dettati dalla specifica dell’iniettore, con particolare riferimento alla distribuzione di portata fra i diversi ugelli. Il presente lavoro fa parte di una coppia di elaborati collegati tra loro e, pertanto, ha inoltre lo scopo di fornire dati utili allo sviluppo dell’altro tema di analisi mirato alla individuazione di parametri di qualità della miscela aria-combustibile non reagente utili alla previsione della formazione del particolato prodotto dalla combustione di un motore GDI. L’elaborato, costituito di 5 capitoli, è strutturato secondo lo schema sottostante. Nel capitolo 1 vengono presentate le motivazioni che lo hanno avviato e viene esposto lo stato dell’arte della tecnologia GDI. Il capitolo 2 è a sfondo teorico: in esso vengono riportati i fondamenti del processo di cavitazione nella prima parte e i modelli numerici utilizzati nell’analisi nella seconda. Il capitolo 3 descrive la modellazione e successiva validazione dei modelli tramite confronto con il test case ‘Comprensive hydraulic and flow field documentation in model throttle experiments under cavitation conditions’ (E. Winklhofer, 2001). Nella scelta dei modelli e dei parametri relativi, l’analisi si è basata su precedenti lavori trovati in letteratura. Successivamente è stato svolto uno studio di sensibilità per valutare la stabilità della soluzione a piccole variazioni nei valori dei parametri. La scelta dei parametri modellistici nel caso di interesse, l’iniettore multihole, si è basata inizialmente sui valori ‘ottimali’ ottenuti nel test case ed è l’argomento del capitolo 4. All’interno del capitolo si parla inoltre dell’analisi di sensibilità successiva, svolta con lo scopo di comprendere i motivi che portano allo sbilanciamento tra fori corrispondenti e al maggiore sviluppo del getto centrale rispetto agli altri. Nel capitolo 5 dopo un breve riepilogo dei punti fondamentali trattati nello svolgimento dell’elaborato, si tirano le conclusioni sull’analisi e si espongono gli sviluppi futuri.

User centered retrofit: The case of kadk campus, Copenhagen, (dk)

The following research thesis is about a retrofit project made in Denmark, Copenhagen, and carried out on one of the buildings belonging to the Royal Danish Academy. The key assumption and base of the entire research process is that, up to now, the standard procedure in retrofit cases like this provides as comparative method between de facto and design, the use of Energy Simulation software. These programs generally divide the space into different thermal zones, assigning to each of them different levels of employment, activities, set-point temperatures set for cooling and heating analysis and so on, but always providing average and constant values, usually taken in the middle point of the single thermal zone. Therefore, the project and its research path stems from the attempt to investigate the potentialities of this kind of designing for retrofit process, as previously anticipated not antithetical but complementary to that classic energy-based retrofit, thus passing from the building scale, and all its thermal zones, to the users' scale, related to humans and microclimates. The main software used in this process is Autodesk Simulation CFD. The idea behind the project is that in certain situations, for example, it will not be necessary to add throughout insulation layers (previously parameterized and optimized with Design Builder), and that even in Winter conditions, due maybe to the users' activities, the increased level of clothing (clo) and the heat produced by equipments, thermal comfort could be achieved also in areas characterized by considerably lower MRT. After the analysis of the State of Art and its simulations, the project has still been supported by the tool itself, the CFD Software, in an iterative process aimed at achieving visible improvements in terms of MRT, on spaces with different needs and characteristics, both in Winter and Summer regimes.

Analisi comparativa dei modelli per gli incendi di liquidi infiammabili

I depositi di liquidi infiammabili sono stabilimenti industriali in cui avvengono spesso incendi di grandi dimensioni a causa degli ingenti quantitativi di sostanze infiammabili detenute. Gli incendi tipici dei liquidi infiammabili sono gli incendi di pozza in caso di rilascio del liquido al suolo e gli incendi di serbatoio in caso di ignizione del liquido all’interno del serbatoio stesso. Tali incendi hanno la potenzialità di danneggiare le apparecchiature limitrofe, determinandone il cedimento e dunque l’incremento delle dimensioni dell’incendio e dell’area di danno; tale fenomeno è detto effetto domino. Per la modellazione degli incendi sono disponibili diversi strumenti, divisibili essenzialmente in due categorie: modelli semplici, ovvero basati su correlazioni semi-empiriche e modelli avanzati, costituiti dai codici CFD. L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è il confronto tra le diverse tipologie di strumenti disponibili per la modellazione degli incendi di liquidi infiammabili. In particolare sono stati confrontati tra loro il codice FDS (Fire Dynamics Simulator), il metodo del TNO ed il modello per gli incendi di pozza incorporato nel software ALOHA. Il codice FDS è un modello avanzato, mentre il metodo del TNO ed il modello implementato nel software ALOHA sono modelli semplici appartenenti alla famiglia dei Solid Flame Models. La prima parte del presente lavoro di tesi è dedicata all’analisi delle caratteristiche e delle problematiche di sicurezza dei depositi di liquidi infiammabili, con specifico riferimento all’analisi storica. Nella seconda parte invece i tre metodi sopra citati sono applicati ad un parco serbatoi di liquidi infiammabili ed è effettuato il confronto dei risultati, anche ai fini di una valutazione preliminare dell’effetto domino. La tesi è articolata in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, nel Capitolo 2 vengono richiamati i principali concetti riguardanti gli incendi e vengono analizzate le caratteristiche e le problematiche di sicurezza dei depositi di liquidi infiammabili. Il Capitolo 3 è dedicato alla discussione delle caratteristiche degli incendi di pozza, alla presentazione delle tipologie di strumenti a disposizione per la loro modellazione ed alla descrizione di dettaglio dei modelli utilizzati nel presente lavoro di tesi. Il Capitolo 4 contiene la presentazione del caso di studio. Nel Capitolo 5, che costituisce il cuore del lavoro, i modelli descritti sono applicati al caso di studio, con un’approfondita discussione dei risultati e una valutazione preliminare dell’effetto domino. Nel Capitolo 6 infine sono riportate alcune considerazioni conclusive.

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.

Validazione e taratura dei modelli di cavitazione di Merkle e Kunz implementati in OpenFOAM

Il presente lavoro si prefigge come scopo la validazione e successiva taratura dei modelli di cavitazione di Merkle e Kunz, basati sulla modellazione del trasferimento di massa, implementati nel software OpenFOAM. Lo studio riguarda la fluidodinamica computazionale. L'operazione di taratura e condotta dall'utente variando i parametri liberi dei vari modelli, con lo scopo di avvicinare il risultato computazionale a quello sperimentale.

Simulation of four stroke engine cycle for a 4 - valve pentroof engine in KIVA 3VR2

The main purpose of this project is to understand the process of engine simulation using the open source CFD code called KIVA. This report mainly discusses the simulation of the 4-valve Pentroof engine through KIVA 3VR2. KIVA is an open source FORTRAN code which is used to solve the fluid flow field in the engines with the transient 2D and 3D chemically reactive flow with spray. It also focuses on the complete procedure to simulate an engine cycle starting from pre- processing until the final results. This report will serve a handbook for the using the KIVA code.

Implementation of the conjugate heat transfer code in KIVA-4

KIVA is an open Computational Fluid Dynamics (CFD) source code that is capable to compute the transient two and three-dimensional chemically reactive fluid flows with spray. The latest version in the family of KIVA codes is the KIVA-4 which is capable of handling the unstructured mesh. This project focuses on the implementation of the Conjugate Heat Transfer code (CHT) in KIVA-4. The previous version of KIVA code with conjugate heat transfer code has been developed at Michigan Technological University by Egel Urip and is be used in this project. During the first phase of the project, the difference in the code structure between the previous version of KIVA and the KIVA-4 has been studied, which is the most challenging part of the project. The second phase involves the reverse engineering where the CHT code in previous version is extracted and implemented in KIVA-4 according to the new code structure. The validation of the implemented code is performed using a 4-valve Pentroof engine case. A solid cylinder wall has been developed using GRIDGEN which surrounds 3/4th of the engine cylinder and heat transfer to the solid wall during one engine cycle (0-720 Crank Angle Degree) is compared with that of the reference result. The reference results are nothing but the same engine case run in the previous version with the original code developed by Egel. The results of current code are very much comparable to that of the reference results which verifies that successful implementation of the CHT code in KIVA-4.

Computational study of internal and external condensing flows and experimental synthesis to investigate their attainability and stability in ground-based and space-based environments

This doctoral thesis presents the computational work and synthesis with experiments for internal (tube and channel geometries) as well as external (flow of a pure vapor over a horizontal plate) condensing flows. The computational work obtains accurate numerical simulations of the full two dimensional governing equations for steady and unsteady condensing flows in gravity/0g environments. This doctoral work investigates flow features, flow regimes, attainability issues, stability issues, and responses to boundary fluctuations for condensing flows in different flow situations. This research finds new features of unsteady solutions of condensing flows; reveals interesting differences in gravity and shear driven situations; and discovers novel boundary condition sensitivities of shear driven internal condensing flows. Synthesis of computational and experimental results presented here for gravity driven in-tube flows lays framework for the future two-phase component analysis in any thermal system. It is shown for both gravity and shear driven internal condensing flows that steady governing equations have unique solutions for given inlet pressure, given inlet vapor mass flow rate, and fixed cooling method for condensing surface. But unsteady equations of shear driven internal condensing flows can yield different “quasi-steady” solutions based on different specifications of exit pressure (equivalently exit mass flow rate) concurrent to the inlet pressure specification. This thesis presents a novel categorization of internal condensing flows based on their sensitivity to concurrently applied boundary (inlet and exit) conditions. The computational investigations of an external shear driven flow of vapor condensing over a horizontal plate show limits of applicability of the analytical solution. Simulations for this external condensing flow discuss its stability issues and throw light on flow regime transitions because of ever-present bottom wall vibrations. It is identified that laminar to turbulent transition for these flows can get affected by ever present bottom wall vibrations. Detailed investigations of dynamic stability analysis of this shear driven external condensing flow result in the introduction of a new variable, which characterizes the ratio of strength of the underlying stabilizing attractor to that of destabilizing vibrations. Besides development of CFD tools and computational algorithms, direct application of research done for this thesis is in effective prediction and design of two-phase components in thermal systems used in different applications. Some of the important internal condensing flow results about sensitivities to boundary fluctuations are also expected to be applicable to flow boiling phenomenon. Novel flow sensitivities discovered through this research, if employed effectively after system level analysis, will result in the development of better control strategies in ground and space based two-phase thermal systems.

Computational fluids domain reduction to a simplified fluid network

The primary goal of this project is to demonstrate the practical use of data mining algorithms to cluster a solved steady-state computational fluids simulation (CFD) flow domain into a simplified lumped-parameter network. A commercial-quality code, “cfdMine” was created using a volume-weighted k-means clustering that that can accomplish the clustering of a 20 million cell CFD domain on a single CPU in several hours or less. Additionally agglomeration and k-means Mahalanobis were added as optional post-processing steps to further enhance the separation of the clusters. The resultant nodal network is considered a reduced-order model and can be solved transiently at a very minimal computational cost. The reduced order network is then instantiated in the commercial thermal solver MuSES to perform transient conjugate heat transfer using convection predicted using a lumped network (based on steady-state CFD). When inserting the lumped nodal network into a MuSES model, the potential for developing a “localized heat transfer coefficient” is shown to be an improvement over existing techniques. Also, it was found that the use of the clustering created a new flow visualization technique. Finally, fixing clusters near equipment newly demonstrates a capability to track temperatures near specific objects (such as equipment in vehicles).

Numerical investigation of effects of addition of ethanol to gasoline on Laminar Flame Speed (LFS), autoignition, and wall quenching

Since the advent of automobiles, alcohol has been considered a possible engine fuel1,2. With the recent increased concern about the high price of crude oil due to fluctuating supply and demand and environmental issues, interest in alcohol based fuels has increased2,3. However, using pure alcohols or blends with conventional fuels in high percentages requires changes to the engine and fuel system design2. This leads to the need for a simple and accurate conventional fuels-alcohol blends combustion models that can be used in developing parametric burn rate and knock combustion models for designing more efficient Spark Ignited (SI) engines. To contribute to this understanding, numerical simulations were performed to obtain detailed characteristics of Gasoline-Ethanol blends with respect to Laminar Flame Speed (LFS), autoignition and Flame-Wall interactions. The one-dimensional premixed flame code CHEMKIN® was applied to simulate the burning velocity and autoignition characteristics using the freely propagating model and closed homogeneous reactor model respectively. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to obtain detailed flow, temperature, and species fields for Flame-wall interactions. A semi-detailed validated chemical kinetic model for a gasoline surrogate fuel developed by Andrae and Head4 was used for the study of LFS and Autoignition. For the quenching study, a skeletal chemical kinetic mechanism of gasoline surrogate, having 50 species and 174 reactions was used. The surrogate fuel was defined as a mixture of pure n-heptane, isooctane, and toluene. For LFS study, the ethanol volume fraction was varied from 0 to 85%, initial pressure from 4 to 8 bar, initial temperature from 300 to 900K, and dilution from 0 to 32%. Whereas for Autoignition study, the ethanol volume fraction was varied between 0 to 85%, initial pressure was varied between 20 to 60 bar, initial temperature was varied between 800 to 1200K, and the dilution was varied between 0 to 32% at equivalence ratios of 0.5, 1.0 and 1.5 to represent the in-cylinder conditions of a SI engine. For quenching study three Ethanol blends, namely E0, E25 and E85 are described in detail at an initial pressure of 8 atm and 17 atm. Initial wall temperature was taken to be 400 K. Quenching thicknesses and heat fluxes to the wall were computed. The laminar flame speed was found to increase with ethanol concentration and temperature but decrease with pressure and dilution. The autoignition time was found to increase with ethanol concentration at lower temperatures but was found to decrease marginally at higher temperatures. The autoignition time was also found to decrease with pressure and equivalence ratio but increase with dilution. The average quenching thickness was found to decrease with an increase in Ethanol concentration in the blend. Heat flux to the wall increased with increase in ethanol percentage in the blend and at higher initial pressures. Whereas the wall heat flux decreased with an increase in dilution. Unburned Hydrocarbon (UHC) and CO % was also found to decrease with ethanol concentration in the blend.

COMBUSTION INITIATION BY ELECTRICAL-DISCHARGE-INDUCED PLASMA IN LEAN AND DILUTE METHANE-AIR MIXTURE: EXPERIMENTAL AND MODELING INVESTIGATION

This dissertation represents experimental and numerical investigations of combustion initiation trigged by electrical-discharge-induced plasma within lean and dilute methane air mixture. This research topic is of interest due to its potential to further promote the understanding and prediction of spark ignition quality in high efficiency gasoline engines, which operate with lean and dilute fuel-air mixture. It is specified in this dissertation that the plasma to flame transition is the key process during the spark ignition event, yet it is also the most complicated and least understood procedure. Therefore the investigation is focused on the overlapped periods when plasma and flame both exists in the system. Experimental study is divided into two parts. Experiments in Part I focuses on the flame kernel resulting from the electrical discharge. A number of external factors are found to affect the growth of the flame kernel, resulting in complex correlations between discharge and flame kernel. Heat loss from the flame kernel to code ambient is found to be a dominant factor that quenches the flame kernel. Another experimental focus is on the plasma channel. Electrical discharges into gases induce intense and highly transient plasma. Detailed observation of the size and contents of the discharge-induced plasma channel is performed. Given the complex correlation and the multi-discipline physical/chemical processes involved in the plasma-flame transition, the modeling principle is taken to reproduce detailed transitions numerically with minimum analytical assumptions. Detailed measurement obtained from experimental work facilitates the more accurate description of initial reaction conditions. The novel and unique spark source considering both energy and species deposition is defined in a justified manner, which is the key feature of this Ignition by Plasma (IBP) model. The results of numerical simulation are intuitive and the potential of numerical simulation to better resolve the complex spark ignition mechanism is presented. Meanwhile, imperfections of the IBP model and numerical simulation have been specified and will address future attentions.

Multiphase Screen Development

This honors thesis research project was the study and development of a compact separation device for the oil and gas industry involving a multiphase cylindrical screen filter. Cylindrical screens can be used for solids removal in multiphase flow in upstream oil and gas applications. This study focused on cylindrical wire-wrap screen test unit design and performance characterization to determine volumetric flow rate and pressure drop correlations. The project goals were met with research, test unit design, CFD modeling, calculations, and physical testing. The comprehensive testing will take place during the summer of 2013 and is planned to consist of building the designed flowloop and housing and using high capacity pumps to achieve higher flow rates. Multiphase testing will be performed with water, air, and sand particles and flow and pressure effects will be evaluated for solids filtering over time.

Assessments and Computational Simulations in Support of a Time-Varying Mass Flow Rate Measurement Technique for Pulsatile Gas Flow

This thesis covers the correction, and verification, development, and implementation of a computational fluid dynamics (CFD) model for an orifice plate meter. Past results were corrected and further expanded on with compressibility effects of acoustic waves being taken into account. One dynamic pressure difference transducer measures the time-varying differential pressure across the orifice meter. A dynamic absolute pressure measurement is also taken at the inlet of the orifice meter, along with a suitable temperature measurement of the mean flow gas. Together these three measurements allow for an incompressible CFD simulation (using a well-tested and robust model) for the cross-section independent time-varying mass flow rate through the orifice meter. The mean value of this incompressible mass flow rate is then corrected to match the mean of the measured flow rate( obtained from a Coriolis meter located up stream of the orifice meter). Even with the mean and compressibility corrections, significant differences in the measured mass flow rates at two orifice meters in a common flow stream were observed. This means that the compressibility effects associated with pulsatile gas flows is significant in the measurement of the time-varying mass flow rate. Future work (with the approach and initial runs covered here) will provide an indirect verification of the reported mass flow rate measurements.