Effect of steam addition on the flow field and NOx emissions for Jet-A in an aircraft combustor

The steam injection technology for aircraft engines is gaining rising importance because of the strong limitations imposed by the legislation for NOx reduction in airports. In order to investigate the impact of steam addition on combustion and NOx emissions, an integrated performance-CFD-chemical reactor network (CRN) methodology was developed. The CFD results showed steam addition reduced the high temperature size and the radical pool moved downstream. Then different post-processing techniques are employed and CRN is generated to predict NOx emissions. This network consists of 14 chemical reactor elements and the results were in close agreement with the ICAO databank. The established CRN model was then used for steam addition study and the results showed under air/steam mixture atmosphere, high steam content could push the NOx formation region to the post-flame zone and a large amount of the NOx emission could be reduced when the steam mass fraction is quite high

Multi-Scale Thermal-hydraulic Developments for the Detailed Analysis of the Flow Conditions within the Reactor Pressure Vessel of Pressurized Water Reactors

Die mehrskalige thermohydraulische Analyse und die Entwicklung von mehrskaligen thermohydraulisch gekoppelten Programmen haben sich in den letzten Jahren zu einem vielversprechenden Gebiet im Bereich der Reaktortechnik entwickelt. Sie zielen darauf ab, die Fähigkeiten der thermohydraulischen Simulationswerkzeuge zu verbessern und die thermohydraulischen Phänomene in den Kernkraftsystemen umfassender zu beschreiben. Die mehrskalige thermohydraulische Simulation eines Druckwasserreaktors (PWR) bildet den Schwerpunkt dieser Arbeit. Eine generische Klassifizierung der verschiedenen Multi-Skalen-Kopplungsansätze wird vorgeschlagen und die gekoppelten Programme und Methoden werden verglichen. Die Dissertation entwickelt zwei mehrskalige thermohydraulische Kopplungssysteme: 1) die Verbindung des Systemcodes TRACE der US Nuclear Regulatory Commission (NRC) mit dem Unterkanalprogramm SubChanFlow (SCF) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Verwendung einer externen Kommunikationsschnittstelle (ECI); 2) die Verbindung des US-amerikanischen NRC-Systemcodes TRACE mit dem französischen Open-Source-CFD-Code TrioCFD unter Verwendung der ICoCo-Methode (Interface for Code Coupling). Die Kopplung TRACE / SCF-ECI wurde als serverloses, paralleles und explizites Kopplungssystem entwickelt, das die Methode der Domänenzerlegung anwendet. Ein neu entwickeltes Toolkit löst dabei die Feldzuordnungsprobleme. Dieses System wurde anhand eines akademischen Kühlmittelmischproblems für einen VVER-1000 als Referenz verifiziert und validiert. Es zeigt sich, dass der gekoppelte Code die Vermischung des Kühlmittels im Reaktordruckbehälter genauer vorhersagen kann. Darüber hinaus wurden die gekoppelten Codes optimiert, um effizienter zu arbeiten. Die Kopplung von TRACE / TrioCFD mithilfe von ICoCo wurde als explizites Server-Client-Kopplungssystem entwickelt, das die domänenübergreifende Methode anwendet und die SALOME MED-Kopplungs-Bibliothek verwendet, um die Feldzuordnung und den Datentransfer zwischen verschiedenen Volumenzellen zu verwalten. Eine neuartige DIAS-Methode (Dynamic-Implicit-Additional-Source) wurde implementiert. Dabei werden die von der MED-Bibliothek aus TrioCFD übersetzten Felder für die Kühlmittelgeschwindigkeit, den Druck, die Kühlmitteltemperatur und die Borkonzentration verwendet, um die vier entsprechenden Felder in TRACE abzubilden. Die Übertragung findet in der gesamten überlappenden Domäne statt. Das Ergebnis wird mit dem VVER-1000-Referenzwert für die Kühlmittelvermischung verglichen, und die verbesserte Fähigkeit der Codes, das Mischen von Kühlmittel im Reaktordruckbehälter vorherzusagen, wird aufgezeigt

Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context

112 páginasThe idea of a sustainable future has led to the exclusion of fossil fuels from development policies and the inclusion of low-carbon alternatives instead. The strategy must be holistic, as proposed by the carbon capture and utilization technologies alongside renewable energies. An example is converting CO2 into value-added products, such as CH4 or Synthetic Natural Gas (SNG), using surplus power of renewable alternatives, in a low-carbon footprint process. The chemical route for the synthesis of SNG from CO2 and H2 is a catalytic reaction known as CO2 methanation or Sabatier reaction. The methanation is an example of CO2 capture and utilization technologies' industrial application within the so-called Power-to-Methane (PtM) context. In this scenario, fixed bed reactors have been the reaction technology employed by default. However, their deficiency in handling the heat released from the highly exothermic Sabatier reaction or responding to the process' intermittency appropriately has been demonstrated. These drawbacks have aroused scientific interest in developing reactors better adapted to the PtM context demands. One approach is by intensifying the methanation process to increase the mass- and energy-transfer and improve its transient response. In this project, the phenomenological hot spots formation in fixed bed reactors used for the methanation industrial process was investigated through a parametric sensitivity analysis, simulating the reactor start-up. On the other hand, it was proposed a CFD simulation-aided conceptual design of a wall-coated reactor for the SNG production using an intensification strategy. The design was based on a reactor formed by single-pass and heat-exchanger stacked-plates. The reacting channel dimensions were defined, including the catalytic layer thickness, fulfilling a minimum quality threshold given by the CO2 conversion (≥ 95%). The proposed design was also intended to maximize the volume of processed gas while meeting the quality requirement, resulting in a throughput per reaction channel of ~12 ml/min. Likewise, the plates manifold geometry and dimensions that best promoted a flow rate uniform distribution were established as a function of the number of reacting channels. Finally, a preliminary dynamic analysis of the operation start-up and shutdown was performed, establishing that the designed reactor does not present a hysteresis behaviour, an ideal condition for intermittent environments.La idea de un futuro sostenible ha conllevado a suprimir el uso de combustibles de origen fósil de los planes de desarrollo y por el contrario incluir alternativas con baja huella de carbono. La estrategia debe ser holística, como lo proponen las tecnologías de captura y utilización de CO2 junto con las energías renovables. Un ejemplo es la conversión del CO2 en productos con valor agregado, como el CH4 o Gas Natural Sintético (GNS), utilizando la energía sobrante de las alternativas renovables, en un proceso con baja huella de carbono. La ruta química para síntesis de GNS a partir de CO2 e H2 es una reacción catalítica que se conoce como metanación de CO2 o reacción de Sabatier. La metanación es un ejemplo de aplicación industrial de las tecnologías de captura y utilización de CO2 en lo que también se conoce como el contexto Power-to-Methane (PtM). En ese ámbito, los reactores de lecho fijo han sido la tecnología de reacción utilizada por defecto. Sin embargo, se ha demostrado su incapacidad para manejar el calor liberado producto de la reacción de Sabatier (altamente exotérmica), o de responder apropiadamente a la intermitencia del proceso. Estas dificultades han despertado el interés científico por desarrollar reactores que se adapten mejor a las exigencias del contexto PtM. Una propuesta yace en intensificar el proceso de metanación, incrementando la transferencia de masa y energía además de mejorar su respuesta transitoria. En este proyecto se estudió, por un lado, la formación fenomenológica de puntos calientes en reactores de lecho fijo utilizados industrialmente para el proceso de metanación a través de un análisis de sensibilidad paramétrico, simulando el arranque del reactor. Por el otro lado, se propuso un diseño conceptual asistido por simulación CFD de un reactor de pared recubierta para la producción de GNS a través de una estrategia de intensificación. El diseño partió de un reactor formado por platos apilados de intercambio de calor de un solo paso. Se definieron las dimensiones del canal de reacción, incluyendo el grosor de la capa catalítica, que cumplían con el umbral mínimo de calidad dado por la conversión de CO2 (≥ 95%). El diseño propuesto también tuvo por objeto maximizar el volumen de gas procesado, cumpliendo a la vez con el requisito de calidad, lo que resultó en un rendimiento por canal de reacción de ~12 ml/min. Así mismo se estableció la geometría y dimensiones del colector del plato que mejor favorecían una distribución uniforme de la velocidad del flujo en función del número de canales de reacción. Por último, se realizó un análisis dinámico preliminar del arranque y apagado de la operación, estableciendo que el reactor diseñado no presenta un comportamiento de histéresis, ideal para un entorno con alta intermitencia.Maestría en Diseño y Gestión de ProcesosMagíster en Diseño y Gestión de Proceso

A multiscale method for mixed convective systems - Coupled calculations with ATHLET and OpenFOAM of the PHENIX NCT

Das Generation IV International Forum schlug sechs Konzepte für Innovative Reaktoren vor, die am vielversprechendsten sind. Eines dieser Konzepte ist der Natrium gekühlte schnelle Reaktor (SFR) mit einer langen Forschungs- und Entwicklungsgeschichte. Dieser Reaktortyp weist ein hohes Potential auf, um die GEN-IV Kriterien zu erfüllen. Dazu gehört der im Jahr 1968 in Frankreich erbaute und 1973 an das Elektrizitätsnetz angeschlossene PHENIX Reaktor. Dieser Prototypreaktor wurde bis 2004 betrieben und anschließend zu Forschungszwecken, wie der Transmutation und der Evaluation von Unfallszenarien weiter verwendet. Die endgültige Abschaltung des PHENIX Reaktors fand 2009 statt. Zuvor wurden einige finale Tests geplant und durchgeführt, einschließlich eines Tests zur Naturkonvektion (NCT) des Primärkreislaufs. Der Naturkonvektions-Test wird als Benchmark-Test in der vorliegenden Arbeit verwendet und dient Qualifikation und Validierung von System-Rechenprogrammen. Im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes wurde der Benchmark-Test als sogenannter Blind-Test durchgeführt. Diese Rechenprogramme verwenden den Ansatz der konzentrierten Parameter und werden zur Berechnung des transienten Verhaltens von thermo-hydraulischen Systemen (STH) angewendet. Mit diesem Ansatz ist es möglich, komplexe Systeme ganzheitlich zu betrachten und zu berechnen. In Deutschland wird das ATHLET Rechenprogramm von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH entwickelt. Da alle Kernkraftwerke in Deutschland, die zur kommerziellen Stromerzeugung verwendet werden mit Wasser gekühlt sind, wurde ATHLET bislang nur für diese Zwecke entwickelt. Ein Teilprojekt des europäischen THINS Projektes (Thermal-Hydraulics of Innovative Nuclear Systems) ist die Qualifikation von System-Rechenprogrammen, die bisher nur für wassergekühlte Kernkraftwerke entwickelt wurden, für System- und Sicherheitsrechnungen im Rahmen der GEN-IV. Die vorgelegte Arbeit zeigt die Erweiterung des ATHLET Rechenprogramms für Natriumanwendungen mittels eines Multi-Fluid Ansatzes. Numerische Strömungssimulation (CFD) wird in vielen Gebieten der Strömungsmechanik angewandt. Sie gibt qualitativ hochwertige und hoch aufgelöste Ergebnisse in gewünschten Bereichen. Der Rechenaufwand - und damit die Kosten - sind allerdings durch eine damit verbundene, lange Rechenzeit hoch. Die Entwicklung einer optimierten Methode ist ebenfalls Teil des THINS Projekts, bei der die Effektivität einer Berechnung auf Systemebene mit der hohen Auflösung von CFD kombiniert (gekoppelt) werden. Nach einem einleitenden Kapitel werden im Rahmen dieser Arbeit Modifikationen des ATHLET Rechenprogramms für Natriumanwendungen erläutert. Anschließend wird an einem System-Modell für den PHENIX Primärkreislauf im Rahmen des NCT eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Soweit möglich, werden Assessments der Implementierungen mit Hilfe des NCT diskutiert. Danach wird das heiße Becken des PHENIX-Primärkreislaufs in CFD modelliert und mit dem quelloffenen Rechenprogramm OpenFOAM berechnet. Das heiße Becken wurde aus einem der drei großen Volumina ausgewählt. Es wird angenommen, dass hier starke dreidimensionale Effekte vorherrschen, welche durch einen System-Ansatz nicht abgebildet werden können. Die Reynolds gemittelte Navier-Stokes Methode mit einem k-epsilon Turbulenzmodell wird hierbei angewandt. Um die zwei unterschiedlichen Methoden zu kombinieren, wird eine Kopplungsstrategie entwickelt und verifiziert. Die Programmeinbindung wird aufgezeigt und am Beispiel des PHENIX NCT diskutiert. Im Laufe des transienten Szenarios zeigt die gekoppelte Lösungsmethode abweichende Ergebnisse im Vergleich zur alleinigen System-Rechenprogramm Lösung. Dies wird durch starke, dreidimensionale Effekte im heißen Becken des PHENIX Primärkreislaufs hervorgerufen und kann durch das thermo-hydraulische System-Rechenprogramm nicht erfasst werden. Ein weiteres, theoretisches Szenario wird ebenfalls aufgezeigt, um das Potential der verifizierten und diskutierten Kopplungs-Strategie zu veranschaulichen. Hier kann eine Ähnlichkeit zwischen CFD und STH beobachtet werden. Diese tritt auf, wenn die Strömungsrichtung und deren Orientierung in beiden Rechenprogrammen identisch ist. Ebenso müssen die Geschwindigkeitsgrößen sehr klein sein

A study on the performance of distributed training of data-driven CFD simulations

Data-driven methods for computer simulations are blooming in many scientific areas. The traditional approach to simulating physical behaviors relies on solving partial differential equations (PDEs). Since calculating these iterative equations is highly both computationally demanding and time-consuming, data-driven methods leverage artificial intelligence (AI) techniques to alleviate that workload. Data-driven methods have to be trained in advance to provide their subsequent fast predictions; however, the cost of the training stage is non-negligible. This article presents a predictive model for inferencing future states of a specific fluid simulation that serves as a use case for evaluating different training alternatives. Particularly, this study compares the performance of only CPU, multi-GPU, and distributed approaches for training a time series forecasting deep learning model. With some slight code adaptations, results show and compare, in different implementations, the benefits of distributed GPU-enabled training for predicting high-accuracy states in a fraction of the time needed by the computational fluid dynamics solver

Interstitial-Scale Modeling of Packed-Bed Reactors

Packed-beds are common to adsorption scrubbers, packed bed reactors, and trickle-bed reactors widely used across the petroleum, petrochemical, and chemical industries. The micro structure of these packed beds is generally very complex and has tremendous influence on heat, mass, and momentum transport phenomena on the micro and macro length scales within the bed. On a reactor scale, bed geometry strongly influences overall pressure drop, residence time distribution, and conversion of species through domain-fluid interactions. On the interstitial scale, particle boundary layer formation, fluid to particle mass transfer, and local mixing are controlled by turbulence and dissipation existing around packed particles. In the present research, a CFD model is developed using OpenFOAM: www.openfoam.org) to directly resolve momentum and scalar transport in both laminar and turbulent flow-fields, where the interstitial velocity field is resolved using the Navier-Stokes equations: i.e. no pseudo-continuum based assumptions. A discussion detailing the process of generating the complex domain using a Monte-Carlo packing algorithm is provided, along with relevant details required to generate an arbitrary polyhedral mesh describing the packed-bed. Lastly, an algorithm coupling OpenFOAM with a linear system solver using the graphics processing unit: GPU) computing paradigm was developed and will be discussed in detail

Ono: an open platform for social robotics

In recent times, the focal point of research in robotics has shifted from industrial ro- bots toward robots that interact with humans in an intuitive and safe manner. This evolution has resulted in the subfield of social robotics, which pertains to robots that function in a human environment and that can communicate with humans in an int- uitive way, e.g. with facial expressions. Social robots have the potential to impact many different aspects of our lives, but one particularly promising application is the use of robots in therapy, such as the treatment of children with autism. Unfortunately, many of the existing social robots are neither suited for practical use in therapy nor for large scale studies, mainly because they are expensive, one-of-a-kind robots that are hard to modify to suit a specific need. We created Ono, a social robotics platform, to tackle these issues. Ono is composed entirely from off-the-shelf components and cheap materials, and can be built at a local FabLab at the fraction of the cost of other robots. Ono is also entirely open source and the modular design further encourages modification and reuse of parts of the platform