Francis türbini tasarım sürecinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği araçlarının kullanılması.

Francis type turbines are commonly used in hydropower generation. Main components of the turbine are spiral case, stay vanes, guide vanes, turbine runner and the draft tube. The dimensions of these parts are dependent mainly on the design discharge, head and the speed of the rotor of the generators. In this study, a methodology is developed for parametric optimization by incorporating Matlab codes developed and commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) codes into the design process. The design process starts with the selection of initial dimensions from experience curves, iterates to improve the overall hydraulic efficiency and obtain the detailed description of the final geometry for manufacturing with complete visualization of the computed flow field. A Francis turbine designed by the procedure developed has been manufactured and installed for energy production.M.S. - Master of Scienc

Impact de la morphologie des suies sur leurs propriétés radiatives et le transfert radiatif à travers des mélanges gazeux avec suies

Soot and its characterization are of interest to researchers from various domains such as combustion diagnostics, numerical combustion, atmospheric optics, environmental and health applications. In this study, the main interest is on the radiative properties of soot aggregates issued directly from combustion flames in order to determine the effect of the presence of soot on the radiative heat transfer in the simulation of high temperature industrial applications involving gas combustion. Current studies modeling the radiative heat transfer through sooty gaseous media consider only the absorption as the main phenomenon of material-radiation interaction. Generalized correlations are used to determine the radiative properties of soot: these radiative properties are either computed over numerically generated aggregate morphologies or simply as a function of the soot average size, the fractal dimension and the volume fraction. However, the material-radiation interaction is susceptible to be more complex and morphology dependent at the aggregate level because of multiple scattering when the size of the object reaches the order of magnitude of the incident radiation wavelengths.In our work, we investigate the possibility to establish a computational methodology and workflow, starting from the definition of a realistic soot morphology up to the computation of the radiative heat transfer. To that end, observations of soot issued from propane/air, methane/air and methane/oxygen flames are performed using Scanning Electron Microscopy (SEM). SEM tomography is applied for the first time on soot issued from a propane/air flame, combined with Transmission Electron Microscopy (TEM) observations. 2D and 3D fractal analysis techniques are used to investigate the fractal properties of virtual (numerically generated) soot clusters and also of the tomography reconstructed objects. The radiative properties of soot are then computed using our in-house developed DDA (Discrete Dipole Approximation) code. Special attention is paid to the DDA modeling of soot because of the high complex extinction index of the material, and to the directional integration numerical methods because direction-averaged radiative properties are required for the subsequent radiative heat transfer simulations. The morphology and the radiative properties of the realistic morphology are compared to the ones of representative soot aggregates numerically generated by a DLCCA (Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation) algorithm. The similarities and discrepancies on the radiative properties are investigated, and the differences between representative virtual aggregates on the one hand and the tomography reconstructed object on the other hand in terms of radiative properties are highlighted. Finally the effect of the presence and of the morphology of soot on the radiative heat transfer within a sooty gaseous mixture in a 1D isothermal parallel plate configuration is investigated by the resolution of the radiative transfer equation using DOM (Discrete Ordinates Method).Les suies et leur caractérisation constituent des sujets de recherche très actuels dans divers domaines tels que le diagnostic de la combustion, la combustion numérique, l’optique atmosphérique, l'environnement et les applications de santé. Notre étude se concentre sur les propriétés radiatives des agrégats de suie issus de flammes de combustion ; notre objectif est de déterminer l’effet de la présence de suies sur le transfert de chaleur par rayonnement pour la simulation d'applications industrielles à haute température impliquant la combustion de gaz. Les études actuelles de modélisation du transfert de chaleur par rayonnement à travers les mélanges gazeux chargés de suies ne considèrent que l'absorption comme phénomène d'interaction rayonnement-matière. Des corrélations généralisées sont utilisées pour déterminer les propriétés radiatives des suies, soit sur la base de morphologies générées numériquement, soit plus simplement à partir de la taille moyenne des suies, de leur dimension fractale et de leur fraction volumique. Cependant, lorsque la taille de l'objet atteint l'ordre de grandeur des longueurs d'onde du rayonnement incident, l'interaction matière-rayonnement est susceptible d’être plus complexe du fait du phénomène de diffusion au niveau de l’agrégation qui ne peut plus être ignoré.Dans notre travail, nous établissons une méthodologie complète assortie d’une chaîne de calcul allant de la définition d'une morphologie de suie réaliste jusqu'au calcul du transfert de chaleur par rayonnement. À cette fin, des observations de suies émises par des flammes propane / air, méthane / air et méthane / oxygène sont effectuées par Microscopie Electronique à Balayage (MEB). La tomographie MEB est appliquée pour la première fois sur une suie issue d’une flamme propane / air, en combinaison avec la Microscopie Electronique en Transmission (MET) pour les observations. Des techniques d'analyse fractale 2D et 3D sont utilisées pour étudier les propriétés fractales d’agrégats de suie virtuels (générés numériquement) et de l'objet obtenu par la tomographie. Les propriétés radiatives des suies sont ensuite calculées en utilisant notre propre code d’Approximation Dipolaire Discrète (ADD – Discrete Dipole Approximation, ou DDA, en anglais). Une attention particulière est accordée à la modélisation ADD des suies en raison de l’indice optique complexe élevé de leur matériau constitutif, et aux méthodes numériques d’intégration directionnelle car les moyennes directionnelles des propriétés radiatives sont nécessaires pour les simulations ultérieures de transfert radiatif. La morphologie et les propriétés radiatives de l’agrégat de suie réaliste (tomographié) sont comparées à celles d'agrégats de suie numériques représentatifs, générés par un algorithme d’agrégation amas-amas limitée par la diffusion (Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation, ou DLCCA, en anglais). Les compatibilités et les écarts entre les propriétés radiatives sont examinés, et les différences entre agrégats numériques représentatifs d’une part et agrégat réaliste d’autre part en termes de propriétés radiatives sont soulignées. Enfin, l'effet de la présence et de la morphologie des suies sur le transfert de chaleur par rayonnement est étudié par la résolution de l'équation du transfert radiatif en utilisant la méthode des ordonnées discrètes (Discrete Ordinates Method, ou DOM, en anglais) dans un mélange gazeux chargé de suies et dans une configuration académique 1D de plaques parallèles isothermes

EFFECT OF FRACTAL PARAMETERS OF SOOT AGGREGATES ON THEIR ABSORPTION AND SCATTERING PROPERTIES SIMULATED BY DISCRETE DIPOLE APPROXIMATION

International audienceThe objective of this study is to determine the impact of the fractal properties of methane soot issued from incomplete combustions on their absorption and scattering properties. The fractal properties are selected according to the bibliography. Sample numerical aggregates are generated accordingly. The absorption and scattering cross-sections, as well as the asymmetry factor are determined by our in-house developed DDA (discrete dipole approximation) code. Simulation results indicate a higher sensitivity of the radiative properties to the fractal dimension than to the prefactor. This sensitivity analysis aims to guide the choice of relevant characterization experiments of soot samples about the necessary precision on measurements and data collection, and also to decide on the extent of soot morphological properties to be considered in heat transfer simulations

Modélisation des propriétés radiatives des suies issues de combustions incomplètes au moyen de l'approximation dipolaire discrète

National audienceDans cette étude, nous cherchons à quantifier les propriétés radiatives de suies de combustions incomplètes afin de les intégrer dans les propriétés radiatives effectives de mélanges {suies + gaz de combustion}. L'approximation dipolaire discrète est utilisée pour évaluer les sections efficaces de diffusion, d'absorption et d'extinction et la fonction de phase des agrégats de suie. Cette théorie permet de prendre en compte la complexité morphologique de ces agrégats dans le calcul de leur interaction avec le rayonnement. De premiers calculs de propriétés radiatives de suies effectués sur des agrégats virtuels représentatifs sont présentés ; ils démontrent l'intérêt de notre approche par rapport aux méthodes traditionnelles. Nomenclature C section efficace, m 2 D f dimension fractale k f préfacteur fractal d p diamètre d'un monomère, nm N p nombre de monomères par agrégat m indice optique complexe δ taille des éléments de volume, nm x paramètre de taille λ longueur d'onde, nm k vecteur d'onde N D nombre de dipôles Indices et exposants ext extinction abs absorption sca diffusion ave moyenne directionnell

Advanced characterization of decomposing flame-retarded polymers

International audienceFlame-retardants (FRs) are incorporated into polymers to reduce the fire hazards. FRs can modify the decomposition pathway of polymers to yield char and/or to change the evolving gaseous products [1]. The aim of this paper is to show how to characterize decomposing FR polymers using advanced characterizations namely, solid state NMR (2D NMR and dynamic nuclear polarization-enhanced (DNP) NMR) and conceptualization (fractal approach)

DESIGN OF A FRANCIS TURBINE FOR A SMALL HYDRO POWER PROJECT IN TURKEY

Many hydro power plants, both in small and large scales, are being constructed in Turkey. The total potential of these projects reach to 216 billion kWh of feasible energy. However a method was not yet developed for the design of hydraulic machinery equipment in Turkey

A facile technique to extract the cross-sectional structure of brittle porous chars from Intumescent coatings

Intumescent coatings are part of passive fire protection systems. In case of fire, they expand under thermal stimuli and reduce heat transfer rates. Their expansion mechanisms are more or less recognized, but the fire testing data shall be interpreted as function of coating morphology. Expansion ratios are examined together with the inner structures of specimens submitted to fire. Bare cutting techniques damage the highly porous and fibrous specimens because they become very crumbly due to charring. So far, absorption contrasted X-ray computed microtomography (CT) was used as a non-destructive technique. Nevertheless, access to X-ray platforms can be relatively expensive and scarce for regular use. Also, it has some drawbacks for carbon rich specimens strongly adhering on steel substrates because it leads sometimes to noisy images and lost data due to resolution limits on specimens reaching ten of centimeters. Therefore, we propose an inexpensive and more accessible experimental approach to observe those specimens with minimized structural damage under visible lighting. To that end, charred specimens were casted into pigmented epoxy resin. After surface treatments, color contrasted cross-sections could be observed under optical digital microscopy thanks to high level of interconnectivity of pores. Subsequent image treatments confirmed that the structural integrity was kept when compared to previous CT data. The proposed method is practical, cheaper and more accessible for the quantitative assessment of inner structure of charred brittle specimens