Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media: Effects of turbulent mixing

We consider diffusion of a passive substance C in a phase-separating nonmiscible binary alloy under turbulent mixing. The substance is assumed to have different diffusion coefficients in the pure phases A and B, leading to a spatially and temporarily dependent diffusion ¿coefficient¿ in the diffusion equation plus convective term. In this paper we consider especially the effects of a turbulent flow field coupled to both the Cahn-Hilliard type evolution equation of the medium and the diffusion equation (both, therefore, supplemented by a convective term). It is shown that the formerly observed prolonged anomalous diffusion [H. Lehr, F. Sagués, and J.M. Sancho, Phys. Rev. E 54, 5028 (1996)] is no longer seen if a flow of sufficient intensity is supplied.

Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media: Effects of turbulent mixing

We consider diffusion of a passive substance C in a phase-separating nonmiscible binary alloy under turbulent mixing. The substance is assumed to have different diffusion coefficients in the pure phases A and B, leading to a spatially and temporarily dependent diffusion ¿coefficient¿ in the diffusion equation plus convective term. In this paper we consider especially the effects of a turbulent flow field coupled to both the Cahn-Hilliard type evolution equation of the medium and the diffusion equation (both, therefore, supplemented by a convective term). It is shown that the formerly observed prolonged anomalous diffusion [H. Lehr, F. Sagués, and J.M. Sancho, Phys. Rev. E 54, 5028 (1996)] is no longer seen if a flow of sufficient intensity is supplied.

Experimental investigation of the initial regime in fingering electrodeposition: Dispersion relation and velocity measurements.

Recently a fingering morphology, resembling the hydrodynamic Saffman-Taylor instability, was identified in the quasi-two-dimensional electrodeposition of copper. We present here measurements of the dispersion relation of the growing front. The instability is accompanied by gravity-driven convection rolls at the electrodes, which are examined using particle image velocimetry. While at the anode the theory presented by Chazalviel et al. [J. Electroanal. Chem. 407, 61 (1996)] describes the convection roll, the flow field at the cathode is more complicated because of the growing deposit. In particular, the analysis of the orientation of the velocity vectors reveals some lag of the development of the convection roll compared to the finger envelope.

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.

Implementation of population balances in simulation of gas-liquid reactors using a CFD-PBM coupled approach

In bubbly flow simulations, bubble size distribution is an important factor in determination of hydrodynamics. Beside hydrodynamics, it is crucial in the prediction of interfacial area available for mass transfer and in the prediction of reaction rate in gas-liquid reactors such as bubble columns. Solution of population balance equations is a method which can help to model the size distribution by considering continuous bubble coalescence and breakage. Therefore, in Computational Fluid Dynamic simulations it is necessary to couple CFD and Population Balance Model (CFD-PBM) to get reliable distribution. In the current work a CFD-PBM coupled model is implemented as FORTRAN subroutines in ANSYS CFX 10 and it has been tested for bubbly flow. This model uses the idea of Multi Phase Multi Size Group approach which was previously presented by Sha et al. (2006) [18]. The current CFD-PBM coupled method considers inhomogeneous flow field for different bubble size groups in the Eulerian multi-dispersed phase systems. Considering different velocity field for bubbles can give the advantageof more accurate solution of hydrodynamics. It is also an improved method for prediction of bubble size distribution in multiphase flow compared to available commercial packages.

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.

Titanyylisulfaatin elektrolyyttisen pelkistyslaitoksen esisuunnitelma

Työssä esisuunniteltiin Kemira Pigments Oy:lle uusi titanyylisulfaatin elektrolyyttinen pelkistyslaitos. Suurin syy uuden laitoksen suunnitteluun oli nykyisen laitoksen aiheuttamat korkeat H2SO4-pitoisuudet pelkistyslaitoksen läheisyydessä. Työn kirjallisuusosassa käsitellään elektrolyysilaitteiston suunnitteluun liittyviä seikkoja ja esitellään titanyylisulfaatin elektrolyyttiseen pelkistykseen liittyvää tutkimustietoa. Ennen uuden laitoksen suunnittelua suoritettiin nykyisellä pelkistyslaitoksella koeajoja, joiden tarkoituksena oli antaa lähtötiedot uuden laitoksen suunnittelulle. Koeajot osoittivat mm., että pelkistys on edullisinta suorittaa alhaisella virrantiheydellä n. 300…400 A/m2 ja vesilaimennuksen avulla anolyytin H2SO4-pitoisuus saadaan säädettyä tasolle, jossa titaani ei saostu. Kärynpoistoyhteisiin asennettujen pesuvesisuuttimien avulla saatiin titaanin saostuminen kärynpoistokanaviin estettyä. Uudesta titanyylisulfaatin elektrolyyttisestä pelkistyslaitoksesta laadittiin mm. seuraavat dokumentit: prosessin virtauskaavio ja ainevirtakenttä, PI-kaavio, layout-kuvat laitoksesta ja sen sijoituksesta sekä rakennepiirros elektrolyysialtaasta. Hankkeelle tehtiin kustannusarvio tarkkuudella ±20 %, jonka loppusummaksi saatiin 1 489 000 €. Laitoksen vuotuisten käyttökustannuksien arvioitiin olevan n. 105 000 €. Investoinnista aiheutuvien vuotuisten annuiteettikustannusten arvioitiin olevan n. 237 000 € 16,3 % korolla.

Kerrostumien muodostumisen määritys sondin lämmönsiirron perusteella

Diplomityön tavoitteena oli tutkia kerrostumien muodostumista voimalaitoskattiloiden lämpöpinnoille ja niiden vaikutusta lämmönsiirtoon. Kerrostumien vaikutusta lämpöpintojen lämpötiloihin tutkittiin kerrostumasondin avulla kierto- ja kerrosleijukattiloissa. Saadun mittausaineiston muodostettiin mittaustilannetta vastaava laskentamalli, jonka avulla pystytään selvittämään voimalaitoksen lämpöpintojen likaantumista käyttöperiodin aikana. Työn alussa tarkasteltiin kerrostumien muodostumismekanismeja lämmönsiirtopinnoille, kerrostumien ominaisuuksia ja virtausympäristön vaikutusta lämmönsiirtoon. Poltossa syntyvä tuhka kiinnittyy eri mekanismeilla kattilan seinille ja lämpöpinnoille riippuen polttoaineesta ja ympäröivistä olosuhteista. Likakerrosten muodostuminen lämmönsiirtimen pinnalle pienentää putkeen siirtyvää lämpövirtaa ja alentaa kattilan hyötysuhdetta. Kerrostumien lämmönjohtumisesta ja mikrorakenteesta on hyvin vähän kokeellisen tietoa, mikä vaikeuttaa reaalisten mallien muodostamista kattilan käyttäytymisestä sen likaantuessa.Työn kokeellisessa osassa tarkasteltiin kahdella eri kattilalla tehtyjä mittauksia. Mittaukset tehtiin kerrostumasondilla, jonka lämmönsiirrosta luotiin laskentamalli SIMULINK-simulointiohjelmalla. Mittaustuloksina saatiin kolmen eri pinnan lämpötilat, jotka muuttuivat kerrostuman ja jäähdytyksen vaikutuksesta. Laskentamallista muokattiin mittaustilanteita vastaava, jolloin lämpötilamuutoksista nähdään likakerroksen ominaisuuksien vaikutus lämmönsiirtoon. Sondista muodostettiin myös FLUENT-malli, jolla tarkasteltiin yksittäisen putken virtauskenttää sekä kahden lähekkäin olevan putken vaikutusta virtaukseen.

Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Transient shear banding in time-dependent fluids

We study the dynamics of shear-band formation and evolution using a simple rheological model. The description couples the local structure and viscosity to the applied shear stress. We consider in detail the Couette geometry, where the model is solved iteratively with the Navier-Stokes equation to obtain the time evolution of the local velocity and viscosity fields. It is found that the underlying reason for dynamic effects is the nonhomogeneous shear distribution, which is amplified due to a positive feedback between the flow field and the viscosity response of the shear thinning fluid. This offers a simple explanation for the recent observations of transient shear banding in time-dependent fluids. Extensions to more complicated rheological systems are considered.

Radiaalikompressorin juoksupyörän virtauskanavan suunnittelu

Diplomityössä on tutkittu radiaalikompressorin juoksupyörän virtauskanavan suunnittelua ja esitelty yleisesti käytetyt suunnittelumenetelmät. Virtauskanavan muodon vaikutukset virtauskenttään on esitetty. Työssä on kehitetty uusi tietokoneohjelma juoksupyörän kolmiulotteisen geometrian luomiseen, yksiulotteisesta suunnittelusta saatujen päämittojen pohjalta. Ohjelmalla luotua juoksupyörän geometriaa voidaan käyttää virtaus- ja lujuusanalyyseissä. Ohjelmaan on myös liitetty kaksiulotteinen kokoonpuristuvan viskoosittoman virtauksen ratkaisija.

Utilization of Particle Image velocimetry in PPOOLEX condensation experiments

Particle Image Velocimetry, PIV, is an optical measuring technique to obtain velocity information of a flow in interest. With PIV it is possible to achieve two or three dimensional velocity vector fields from a measurement area instead of a single point in a flow. Measured flow can be either in liquid or in gas form. PIV is nowadays widely applied to flow field studies. The need for PIV is to obtain validation data for Computational Fluid Dynamics calculation programs that has been used to model blow down experiments in PPOOLEX test facility in the Lappeenranta University of Technology. In this thesis PIV and its theoretical background are presented. All the subsystems that can be considered to be part of a PIV system are presented as well with detail. Emphasis is also put to the mathematics behind the image evaluation. The work also included selection and successful testing of a PIV system, as well as the planning of the installation to the PPOOLEX facility. Already in the preliminary testing PIV was found to be good addition to the measuring equipment for Nuclear Safety Research Unit of LUT. The installation to PPOOLEX facility was successful even though there were many restrictions considering it. All parts of the PIV system worked and they were found out to be appropriate for the planned use. Results and observations presented in this thesis are a good background to further PIV use.

Is there correlation between the turbulent eddies size and mechanical hemolysis ?

Hemolytic profile of an artificial device chronically implanted in the cardiovascular system may represent the difference between the success and failure in its long-term performance. Last decades have witnessed efforts on the development of methods capable of predicting red blood cell damage in artificial organs. However, all of them have had limited success to predict hemolysis. The primary cause of this problem is that such models do not take into consideration structures of turbulent flow. The present paper demonstrates that microscopic measurable occurrences of the turbulent flow may be linked to red blood cell trauma. This study suggests that if the smallest turbulent eddies dimension is under 10 m m hemolysis is not dependent on the exposure time and the red blood cells damage depends only on the dissipation of the turbulent energy in the erythrocyte membrane. The analysis reported here opens the possibility of mapping the flow field in artificial assist devices based on the smallest eddy length scales. This is a promising new trend and should be considered in the designing requirements of the next generations of artificial organs.

Radiaalikompressorin aerodynaaminen suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella radiaalikompressori. Aluksi on tutustuttu radiaalikompressorissa tapahtuviin ilmiöihin, jonka jälkeen radiaalikompressori on suunniteltu. Reunaehtoina suunnittelussa olivat toimilaitteelta saatava teho 250 kW ja sen suurin pyörimisnopeus 500 Hz. Esisuunnittelu on tehty Virtaustekniikan laboratoriossa kehitetyllä CentriFlow-ohjelmalla. Juoksupyörän muoto on suunniteltu viskoosittomilla 2D-malleilla. Juoksupyörän muodon suunniittelussa on käytetty kaupallista AxCent-ohjelmaa. Juoksupyörän muoto on tarkistettu laskennallisen virtausdynamiikan avulla. Virtausmallinnuksessa käytettiin FinFlo-ohjelmaa. Suunnittelun ja mallinnuksen pohjalta valittiin kolme erilaista juoksupyörää valmistukseen.

Turbulenssimallien soveltuminen syklonien numeeriseen virtauslaskentaan

Tässä työssä tutkittiin miten totuudenmukaisia tuloksia syklonierottimen virtauskentästä saadaan numeerisella laskennalla, kun käytetään eri turbulenssimalleja. Tarkoitus oli myös selvittää yleisesti syklonin toimintaperiaatteita, haasteita sen käytössä sekä syklonin numeerisen virtauslaskennan perusteita. Numeerisen virtauslaskennan teoria selitetään pääpiirteittäin, samoin turbulenssin mallinnus. Työn laskentaosiossa simuloitiin Fluent-ohjelmalla syklonin virtauskenttää kuumalla ilmalla sekä kahdella eri turbulenssimallilla ja verrattiin tuloksia kirjallisuudesta löytyviin mittaustuloksiin. Simuloinnit suoritettiin sekä ajasta riippuvana että ajasta riippumattomana ja kahdella eri laskentahilalla. Simulointien tulokset osoittivat, että RNG k-ε turbulenssimalli ei kykene tuottamaan totuu-denmukaista virtauskenttää. Toisen käytetyn turbulenssimallin, Reynolds-jännitysmallin tulokset vastasivat enemmän mittaustuloksia. Reynolds-jännitysmallia voidaan pitää käyttökelpoisena syklonin simuloinnissa tämän työn ja kirjallisuuden perusteella. Mallissa oli yksinkertaistuksia, esimerkiksi kiinteää ainetta ei otettu huomioon lainkaan.