Statistical state dynamics of weak jets in barotropic beta-plane turbulence

Zonal jets in a barotropic setup emerge out of homogeneous turbulence through a flow-forming instability of the homogeneous turbulent state (`zonostrophic instability') which occurs as the turbulence intensity increases. This has been demonstrated using the statistical state dynamics (SSD) framework with a closure at second order. Furthermore, it was shown that for small supercriticality the flow-forming instability follows Ginzburg-Landau (G-L) dynamics. Here, the SSD framework is used to study the equilibration of this flow-forming instability for small supercriticality. First, we compare the predictions of the weakly nonlinear G-L dynamics to the fully nonlinear SSD dynamics closed at second order for a wide ranges of parameters. A new branch of jet equilibria is revealed that is not contiguously connected with the G-L branch. This new branch at weak supercriticalities involves jets with larger amplitude compared to the ones of the G-L branch. Furthermore, this new branch continues even for subcritical values with respect to the linear flow-forming instability. Thus, a new nonlinear flow-forming instability out of homogeneous turbulence is revealed. Second, we investigate how both the linear flow-forming instability and the novel nonlinear flow-forming instability are equilibrated. We identify the physical processes underlying the jet equilibration as well as the types of eddies that contribute in each process. Third, we propose a modification of the diffusion coefficient of the G-L dynamics that is able to capture the asymmetric evolution for weak jets at scales other than the marginal scale (side-band instabilities) for the linear flow-forming instability.Comment: 27 pages, 17 figure

Computational modelling of latent heat storage systems with integrated phase change materials in building applications

89 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εκτιμήσει την επίδραση θερμικών συστημάτων, τα οποία ενσωματώνουν υλικά αλλαγής φάσης, με την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων. Στην εισαγωγή, μια σύντομη θεώρηση καταλήγει στο ότι, ο σύγχρονος τρόπος ζωής απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας στον κτιριακό τομέα, ούτως ώστε να καλυφθούν οι ανάγκες φωτι- σμού και θερμικής άνεσης. Τα συστήματα αερισμού, θέρμανσης και κλιματισμού καταναλώνουν, ίσως, την περισσότερη ενέργεια, και για τον λόγο αυτό η απόδοσή τους παίζει σημαντικό ρόλο στην εξοικονόμηση ενέργειας. Μία, σχετικά, νέα γενιά εφαρμογών μπορεί να καταστήσει τα συστήματα αυτά πιο αποδοτικά. Οι εφαρμογές αυτές υιοθετούν την χρήση υλικών αλλαγής φάσης. Τα υλικά αυτά μπορούν και συσσωρεύουν ενέργεια υπό την μορφή λανθάνουσας θερμότητας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η θερμοκρασιακή ομοιομορφία. Επίσης, η αποθηκευμένη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελοντικό χρόνο. Τα υλικά αυτά, ο τρόπος λειτουργίας τους, καθώς και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους μελετώνται στο δεύτερο κεφάλαιο. Στις περιπτώσεις που μελετώνται, οι κτιριακές εγκαταστάσεις θερμαίνονται λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης, λόγω θερμοκρασιακών διαφορών, παρατηρούνται φαινόμενα φυσικής συναγωγής. Για τους λόγους αυτούς, ο ρόλος του τρίτου κεφαλαίου είναι να λειτουργήσει ως μια εισαγωγή σε φαινόμενα μεταφοράς και ρευστοδυναμικής. Επιπροσθέτως, θα αποδειχθεί, ότι η αναλυτική επίλυση του θερμοκρασιακού και του ροϊκού πεδίου είναι αδύνατη, συνεπώς η αριθμητική προσέγγιση κρίνεται απαραίτητη. Στοιχεία της υπολογιστικής μεθόδου των πεπερασμένων όγκων θα κλείσουν το κεφάλαιο αυτό. Στο τέταρτο κεφάλαιο, λαμβάνει χώρα η υπολογιστική μελέτη δύο περιπτώσεων. Αρχικά, περιγράφεται η πειραματική μελέτη συστήματος περσίδων, στο οποίο έχει εγκατασταθεί υλικό αλλαγής φάσης. Εν συνεχεία, αναλύονται τα χαρακτηριστικά του υπολογιστικού μοντέλου. Τελικά, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, τα οποία παρέχουν ικανοποιητική συμφωνία με τις τιμές του πειράματος, παρέχοντας πιστοποίηση στο υπολογιστικό εργαλείο. Στο δεύτερο σκέλος, μελετήθηκε ένα νέο σύστημα, το οποίο αποτελείται από περιστρεφόμενες περσίδες. Οι περσίδες ενσωματώνουν ένα στρώμα μονωτικού καθώς και υλικό αλλαγής φάσης. Εκτιμήθηκε η επίδραση του συστήματος στην θερμική συμπεριφορά εξωτερικού τοιχώματος, υπό δύο διαφορετικές κλιματικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ευνοϊκή επίδραση έναντι σε περιπτώσεις χωρίς την εγκατάσταση του συστήματος. Ωστόσο, προτείνονται συμπληρωματικές προσομοιώσεις και βελτιώσεις στο υπολογιστικό μοντέλο, για την εξαγωγή περαιτέρω χρήσιμων συμπερασμάτων. Τέλος, γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική δουλειά κλείνουν αυτή την διπλωματική. Τα υλικά αλλαγής φάσης παρουσιάζουν θετικό αντίκτυπο σε κτιριακές εφαρμογές, ενώ το υπολογιστικό εργαλείο, που αναπτύχθηκε, δείχνει να έχει δυνατότητες εξέλιξης.The purpose of this thesis is to assess the effect of thermal systems that incorporate phase change materials, with the development of a computational tool. In the introduction, a brief consideration concludes, that the modern way of life requires large amounts of energy in the building sector, in order to meet the needs of lighting and thermal comfort. The ventilation, heating and air conditioning systems consume more energy, and therefore their performance plays a significant role in saving energy. A, relatively, new generation of applications can make these systems more efficient. These applications adopt the use of phase change materials. These materials can store energy in the form of latent heat. Thereby, it is necessary to study their behaviour, their advantages and, also, their limitations. In addition, previous works were investigated. This contributed in gaining insight and, also, a valuable fashion to treat the heat capacity: the effective heat capacity method. These topics are discussed in the second part. The investigated cases in this work, present complicated features: the buildings are heated with thermal radiation, natural convection is observed and multi-layer objects are employed. Hence, the role of the third chapter is to serve as an introduction to heat transfer phenomena and fluid dynamics. It is discussed, that an analytical approach on the temperature and flow fields is impossible. Hence, the computational method of finite volume will close this chapter The fourth chapter presents the computational study of two cases. Initially, the experimental study of a blind, which integrated a phase change material, is described. Then, the characteristics of the numerical model are presented. Eventually, the results of the simulation show a very good agreement to the experiment, verifying the method. Furthermore, a new developed system is investigated under two different environment conditions. This system consists of slats, in which an insulation layer and a phase change material are embedded. It will be installed on walls of existing building to improve their thermal characteristics. The results show the beneficial role of the specific applications in the summer period. More tests should be performed to obtain more useful information for winter days as well. In addition, an overview reveals the positive and negative features of this method, and countermeasures are suggested. Finally, general remarks of this work with comments and overall observations conclude this work. Thermal energy storage systems have, in general, a positive impact and we can gain the most out of them with careful design. The presented numerical method is considered suitable to simulate heat transfer phenomena and future simulation work is outlined.Ιωάννου Νικόλαο

Comparative Techno-Economic Evaluation of LTE Fixed Wireless Access and FTTdp G.fast network deployment for providing 30Mbps broadband services in rural areas

Στις αγροτικές περιοχές της Ευρώπης, η ανάπτυξη των δικτύων ευρυζωνικής πρόσβασης υψηλών ταχυτήτων υστερεί σε σχέση με τις αστικές και ημιαστικές περιοχές λόγω των δυσκολιών που υπάρχουν στην εγκατάσταση οπτικών ινών κοντά στα νοικοκυριά. Τα δίκτυα FTTdp βασισμένα στην τεχνολογία G.fast έχουν προταθεί ως μια οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση έναντι των FTTH και FTTB, ιδίως στις αγροτικές περιοχές, όπου το FTTC και το VDSL δεν μπορούν πάντοτε να παρέχουν ταχύτητες 30Mbps, το οποίο είναι το ελάχιστο εύρος ζώνης που ορίζεται ως στόχος της European Digital Agenda που πρέπει να επιτευχθεί έως το 2020. Ωστόσο, τα δίκτυα fixed wireless access (FWA) που βασίζονται στην τεχνολογία LTE μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λύση «last mile» για την παροχή ευρυζωνικής πρόσβασης υψηλής ταχύτητας σε περιοχές όπου η πρόσβαση σε σταθερά ευρυζωνικά δίκτυα είναι περιορισμένη. Από την άλλη πλευρά, η τεχνολογία LTE προσφέρει συνδέσεις υψηλής ταχύτητας ικανές να υποστηρίξουν υπηρεσίες διαδικτύου και υπηρεσίες IP, ενώ μπορούν θεωρητικά να υποστηρίξουν μέχρι και 300Mbps ανάλογα με το φόρτο του δικτύου. Έτσι, μπορεί να θεωρηθεί ως μια πραγματική εναλλακτική λύση έναντι των σταθερών δικτύων. Σε αυτή την εργασία πραγματοποιήθηκε μια τεχνοοικονομική μελέτη για την αξιολόγηση της ανάπτυξης δικτύου FWA βασισμένης στην τεχνολογία LTE σε σύγκριση με την ανάπτυξη του δικτύου FTTdp G.fast για την παροχή ταχύτητας 30Mbps σε αγροτικές περιοχές. Θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα των ταμειακών ροών και συνήθων οικονομικών δεικτών για τα αντίστοιχα επιχειρηματικά σενάρια. Τα αποτελέσματα αξιολογούνται μέσω ανάλυσης ευαισθησίας και κινδύνου για τον προσδιορισμό των σημαντικότερων παραγόντων που επηρεάζουν την βιωσιμότητα της επένδυσης. Συζητάμε επίσης την κερδοφορία ή μη κερδοφορία και των δύο περιπτώσεων και την επιδότηση που απαιτείται. Τα αποτελέσματα έχουν στόχο να συμβάλουν στη συζήτηση για την εξέλιξη των δικτύων πρόσβασης μεταξύ των ακαδημαϊκών κύκλων, της βιομηχανίας, των ρυθμιστικών αρχών, των υπευθύνων χάραξης πολιτικής και των κυβερνήσεων.In rural areas in Europe, the deployment of High-Speed Broadband access networks lags behind in urban and suburban areas due to difficulties of deployment of fiber in the final meters. FTTdp networks using G.fast have been proposed as a cost-effective alternative to FTTH and FTTB especially in rural areas where FTTC and VDSL cannot always deliver service speeds of 30Mbps which is the minimum bandwidth defined in the European Digital Agenda as target to be met by 2020. However, fixed wireless access (FWA) networks based on LTE technology can be used as a “last mile” solution to provide high-speed broadband access to areas where fixed broadband is limited. On the other hand, LTE technology offers high speed connections able to support internet browsing and IP services, while it can theoretically support up to 300 Mbps depending on network load and sharing. Thus, it can be considered as a true alternative to any fixed solution. In this paper, a techno-economic study is performed to assess the feasibility of a FWA network deployment based on LTE technology in comparison to FTTdp G.fast network rollout for delivering service speeds of 30Mbps in rural areas. We present cash flow results and standard financial indexes for the business cases discussed. The results are being appraised through a sensitivity and risk analysis to determine the most influential factors on the return on the investment. We also discuss the (non) profitability of both cases and the subsidization needed from structural funds. The results aim to contribute in the debate over network evolution scenarios among academia, industry, regulators, policy makers and governments