Search

Control of mixing in turbulent flow may lead to considerable improvement of efficiency, safety and performance of various technological devices. In so-called passive control methods, shapes of control elements (bluff-bodies, swirlers, etc.) are often a result of trial-and-error based on geometrical modifications. In the present study we apply passive control to enhance mixing of fuel issuing from a pipe into a hot co-flowing stream. Near the outlet of the pipe plates with polygonal orifices are mounted. The role of these objects is to intensify mixing of large and small scales which potentially will lead to better mixing characteristics between the fuel and co-flow downstream of the pipe exit.

Includes bibliographical references (p. 111-122). Number of sources in the bibliography: 140 Thesis (Ph. D.) -- University of Cyprus, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, 2021. The University of Cyprus Library holds the printed form of the thesis. Στην παρούσα διατριβή, το γενικό φαινόμενο της μεταφοράς ιζήματος θα μελετηθεί ενδελεχώς. Ειδικό ενδιαφέρον θα δοθεί στις αριθμητικές προσομοιώσεις τυρβωδών ροών με σωματίδια ως κομμάτι των εφαρμογών μεταφοράς ιζήματος. Η ροή του ρευστού προσομοιώνεται μέσω της Προσομοίωσης των Μεγάλων Δινών ή Large Eddy Simulation (LES) όπου οι πιο ενεργές κλίμακες της ροής επιλύονται και οι μικρότερες κλίμακες μοντελοποιούνται με χρήση μοντέλων τύρβης από τη βιβλιογραφία. Τα στερεά όρια και τα παρεμβαλλόμενα στερεά εντός της ροής λαμβάνονται υπόψη μέσω της μεθόδου του Εμβαπτισμένου Ορίου ή Immersed Boundary Method (IMB). Τα ιζήματα προσομοιώνονται μέσω ενός Lagrangian μοντέλου που θεωρεί ότι η στερεή φάση του ιζήματος αποτελείται από έναν πεπερασμένο αριθμό σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά μπορούν να αλληλεπιδρούν με το περιρρέον ρευστό καθώς και μεταξύ τους, μηχανισμοί γνωστοί ως 4-way coupling. Πρώτον, θα μελετηθεί η μεταβατική/τυρβώδης παλλόμενη ροή γύρω από αγωγούς πλησίον πυθμένα. Είναι υψίστης σημασίας να αποδειχθεί ότι το θεωρούμενο μοντέλο μπορεί να αναπαράγει τα χαρακτηριστικά της ροής όπως αναμένονται και με ακρίβεια. Έπειτα το επιβεβαιωμένο μοντέλο θα χρησιμοποιηθεί για την ποσοτικοποίηση της έγχυσης στροβίλων (vortex shedding) και της υδροδυναμικής φόρτισης στους αγωγούς σε ένα εύρος διατομής και απόστασης από τον πυθμένα. Δεύτερον, το Lagrangian μοντέλο θα χρησιμοποιηθεί για έναν μικρό αριθμό σωματιδίων που κινούνται εντός παλλόμενου οριακού στρώματος. Κάθε όρος της εξίσωσης κίνησης των σωματιδίων θα εκτιμηθεί σε όρους μέγιστου εύρους ούτως ώστε να προσδιοριστεί ποιες από τις δυνάμεις είναι σημαντικές σε τέτοιες υδροδυναμικές συνθήκες. Στη συνέχεια θα διενεργηθεί μία αριθμητική προσομοίωση ομοιόμορφης τυρβώδους ροής με σωματίδια πάνω από πυθμένα γεωμετρίας θινών. Η σωματιδιακή φάση που συντίθεται από πάνω από ένα εκατομμύριο σωματίδια και οι πλήρεις δυνατότητες του Lagrangian μοντέλου (4-way coupling) θα ληφθούν υπόψη. Η κίνηση των σωματιδίων, η επίδρασή τους στις ταχύτητες της ροής και οι διατμητικές τάσεις πυθμένα θα ποσοτικοποιηθούν. Τα αποτελέσματα θα συσχετισθούν εκ των υστέρων με μία φόρμουλα υπολογισμού ιζήματος κλίνης από τη βιβλιογραφία, ώστε να εκτιμηθεί η δυνατότητα ο πυθμένας να υποστεί διάβρωση/απόθεση. Τέλος, συνοψίζοντας τα συμπεράσματα της παρούσας ερευνητικής εργασίας, θα γίνουν συστάσεις για μελλοντικούς ερευνητές ώστε να χρησιμοποιήσουν τα αποτελέσματα της εργασίας μας και να προχωρήσουν μπροστά ερευνητικά. In the present thesis, the general phenomenon of sediment transport will be thoroughly investigated. Specific interest will be given to numerical simulations of particle-laden turbulent flows as part of sediment transport applications. The flow motion is simulated by means of Large Eddy Simulation (LES) where the most energetic flow scales are resolved and the subgrid scales are modeled using turbulence models from the literature. Solid boundaries and bluff bodies within the flow are taken into account by means of the Immersed Boundary Method (IMB). Sediments are simulated by means of a Lagrangian model which considers that the sediment phase consists of a finite number of particles. Those particles can interact with the carrier fluid and also with each other and solid boundaries through collisions, mechanisms known as 4-way coupling. Firstly the transitional/turbulent oscillatory flow around near-bed pipelines will be investigated. It is of high importance to prove that the considered model can accurately capture the flow characteristics that are anticipated. Then the validated model will be used to quantify the vortex shedding and the hydrodynamic forcing on the pipelines in different range of pipeline diameters and distance from solid bed. Secondly, the Lagrangian model for a small number of particles moving within oscillatory boundary layer flow will be used. Each term of the equation for particle motion will be evaluated in terms of magnitude in order to determine which forces are important in such hydrodynamic conditions. Then, a numerical simulation of turbulent particle laden unidirectional flow over a dune-shaped bed will be conducted. The particle phase consisting of over a million particles will be released and the full capabilities of the Lagrangian model (4-way coupling) will be taken into account. The particle motion, their effect on the fluid velocities and the bed shear stresses will be quantified. The results will be offline coupled with a literature formula for bedload transport to determine potential bed erosion/deposition patterns. Finally, after summarising the conclusions of the present research work, certain recommendations will be made for future researchers in order to use our research results and take steps forward.

Includes bibliographical references. Number of sources in the bibliography: 173 Thesis (Ph. D.) -- University of Cyprus, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, 2019. The University of Cyprus Library holds the printed form of the thesis. Η κατανόηση κυματογενών ροών και η αλληλεπίδρασή τους με κατασκευές στο παράκτιο και ωκαιάνειο/υπεράκτιο περιβάλλον είναι αρκετά σημαντική, για την επίτευξη αποτελεσματικότερων σχεδιασμών. Η μελέτη πολύπλοκων προβλημάτων κυματικής υδροδυναμικής απαιτεί την χρήση μοντέλων υπολογιστκής ρευστομηχανικής βασισμένα στην επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes (NS) που δίνουν την πλήρη περιγραφή του προβλήματος και χαρακτηρίζονται όμως από το υψηλό υπολογιστικό κόστος. Τέτοιου είδους μοντέλα, που παρέχουν μεγάλη λεπτομέρεια και ακρίβεια (προσομοίωση αλληλεπιδράσεων νερού-αέρα), κερδίζουν συνεχώς μεγαλύτερη προσοχή κυρίως λόγω της εξέλιξης των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Παρ' όλα αυτά, ακόμη και σήμερα, λεπτομερείς προσομοιώσεις για πρακτικές εφαρμογές στις τρεις διαστάσεις (3Δ) μπορεί να καθίστανται αδύνατες λόγω του υψηλού υπολογιστικού κόστους που οφείλεται στην πολυπλοκότητα ή κλίμακα του προβλήματος. Επομένως, η ανάπτυξη αποδοτικών αριθμητικών μεθόδων είναι ζωτικής σημασίας για την μείωση του υπολογιστικού κόστους και την ευκολότερη πρόσβαση σε απαιτητικά προβλήματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας αποδοτικής Αριθμητικής Δεξαμενής Κυματισμών (ΑΔΚ) υψηλής ακρίβειας, που επιλύει τις εξισώσεις NS, οι οποίες περιγράφουν την ασυμπίεστη τυρβώδη ροή και αλληλεπίδραση δύο μη-αναμειγνυόμενων ρευστών. Παρουσιάζουμε για πρώτη φορά μία αριθμητική μέθοδο η οποία επιτυγχάνει την σύζευξη της μεθόδου Εμβαπτισμένου Ορίου (ΕΟ) και της χρήσης Γρήγορων Άμεσων Επιλυτών (ΓΑΕ) για αποδοτική παραλληλοποίηση προσομοιώσεων διφασικών ροών. Το μαθηματικό υπόβαθρο, οι αριθμητικές μεθόδοι που υιοθετήθηκαν και οι απαραίτητες τροποποιήσεις σε μία υφιστάμενη εξίσωση Poisson σταθερών συντελεστών περιγράφονται και αναλύονται λεπτομερώς. Επιπλέον, παρουσιάζονται η σύνθεση της ΑΔΚ και τα κύρια βήματα του αριθμητικού αλγόριθμου. Ακολούθως, παρουσιάζεται μια εκτενείς πιστοποίηση της σύζευξης ΓΑΕ-ΕΟ. Συγκεκριμένα, η ακρίβεια της μεθόδου σύζευξης διερευνήθηκε για περιπτώσεις με χαμηλό και υψηλό λόγο πυκνοτήτων και ιξώδους, αλλά και περιπτώσεις με ή χωρίς την παρουσία στερεών εμποδίων, συγκρίνοντας την νέα μορφή εξίσωσης σταθερών συντελεστών απέναντι και στις δύο πρωτότυπες μορφές σταθερών και μεταβλητών συντελεστών. Στη συνέχεια, πιστοποιήθηκε ολόκληρη η διάταξη της ΑΔΚ σε περιπτώσεις με αναλυτικές λύσεις αλλά και περιπτώσεις όπου πειραματικές μετρήσεις είναι διαθέσιμες στη βιβλιογραφία. Επιπλέον, παρουσιάζεται η μελέτη της τάξης σύγκλισης και η ανάλυση ευαισθησίας χρονικού βήματος της μεθόδου σύζευξης ΓΑΕ-ΕΟ. Η χρονική τάξη σύγκλισης μετρήθηκε γύρω στο 2 για τις ταχύτητες και γύρω στο 1.5 για τα πεδία πίεσης και πυκνότητας, ενώ η χωρική τάξη σύγκλισης βρέθηκε ίση με 3. Η μείωση στο χρονικό βήμα, που απαιτείται για την διατήρηση της ακρίβειας, βρέθηκε να αυξάνεται όταν αυξάνεται και ο λόγος πυκνοτήτων. Έπειτα, η υπολογιστική επίδοση της μεθόδου σύζευξης συγκρίθηκε με την αντίστοιχη της συμβατικής μεθόδου, δείχνοντας συντελεστές επιτάχυνσης της τάξης 100-10 για λόγους πυκνοτήτων 10-1000, αντίστοιχα. Η συνολική επιτάχυνση της νέας ΑΔΚ βρέθηκε να αυξάνεται όταν μεγαλώνει το μέγεθος του προβλήματος, με εκτιμώμενη τιμή γύρω στο 30 για μεγάλα 3Δ προβλήματα, επιτρέποντας επίσης την χρήση μικρότερων υπολογιστών. Για την αξιοποίηση της νέας αποδοτικής ΑΔΚ, εκπονήθηκε μία μελέτη όπου διερευνήθηκε η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων ενός κάθετου διάτρητου κυματοθραύστη μονής σειράς πασσάλων σε αλληλεπίδραση με μοναχικούς κυματισμούς. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης ανάδειξαν μία απροσδόκητη μικρή επίδραση του μεγέθους της διαμέτρου προς το βάθος, η οποία επεξηγήθηκε ποιοτικά μέσα από την εξέταση της εξέλιξης της ελεύθερης επιφάνειας και της παραγόμενης στροβιλότητας. The understanding of wave-induced flows and their interaction with structures in coastal and ocean/offshore environment is of significant importance to achieve the most effective designs. The study of complex wave hydrodynamics requires the use of computational fluid dynamics models, based on the solution of the full-set of the Navier-Stokes (NS) equations, which are computationally expensive. These models, that provide high level of detail and accuracy due to the simulation of water-air interactions, are gaining attention due to the evolution in computing power. However, even today, detailed three-dimensional (3D) simulations can be prohibitively expensive for practical applications because of their physical complexity or size. Therefore, the development of efficient numerical methods and tools is essential to reduce the computational cost and enable easier access to demanding cases and extensive parametric studies. This PhD study focuses on the development of an efficient and accurate numerical wave tank (NWT), solving the NS equations that describe the incompressible turbulent flow of two immiscible fluids (water and air). We present for the first time a numerical method that achieves the appropriate coupling of the Immersed Boundary (IB) method and the use of fast direct solvers (FDS) for the efficient parallelised simulation of two-fluid flows. The mathematical background, the adopted numerical methods and the required modifications on an existing constant coefficient pressure Poisson equation are described and discussed in detail. The configuration of the NWT and the main steps of the numerical algorithm are also presented. Subsequently, the verification of the new FDS-IB coupling is extensively demonstrated. Specifically, the accuracy of the coupling method was investigated for cases with low and high density and viscosity ratios, and cases with and without the presence of IB solid obstacles, comparing the new constant coefficient approach against both the original constant and variable conventional coefficient formulations. The complete newly developed NWT is then validated, against standard analytical solutions and experimental measurements for several cases available in the literature. Furthermore, the convergence study and the time-step sensitivity analysis of the FDS-IB coupling method are presented. A temporal convergence rate of about 2 for the velocities and 1.5 for the pressure and density fields was measured, while the spatial convergence rate was found to be equal to 3. The time-step reduction, required to maintain accuracy, was found to increase with increasing density ratio. Afterwards, the computational performance of the coupling method was compared against the conventional approach, showing speed-up factors of 100-10 for density ratios of 10-1000, respectively. The overall speed-up of the new NWT was found to increase with the problem size, estimated to be about 30 for large 3D problems, allowing also the use of smaller computers. To take advantage of the newly developed efficient NWT, the effects of the geometrical parameters of a single row pile breakwater when interacting with solitary waves were investigated. The results of this study revealed an unexpected small effect of the diameter to depth ratio, which was explained in a qualitatively manner through the examination of the free-surface evolution and the generated vorticity.

Includes bibliography. Number of sources in the bibliography: 83 Thesis (Ph. D.) -- University of Cyprus, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, 2019. The University of Cyprus Library holds the printed form of the thesis. Οι ροές φυσικής συναγωγής μπορούν να θεωρηθούν προσεγγιστικά ως ροές με σταθερές ιδιότητες μόνο όταν οι θερμοκρασιακές διαφορές είναι σχετικά μικρές. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η προσέγγιση Oberbeck-Boussinesq ισχύει και το σύνολο των εξισώσεων που διέπουν τη ροή απλοποιείται. Για μεγαλύτερες θερμοκρασιακές διαφορές, η μεταβολή των ιδιοτήτων του ρευστού δεν μπορεί να αγνοηθεί, ενώ τα υγρά και τα αέρια συμπεριφέρονται διαφορετικά. ́Οταν επιχειρηθεί μια αριθμητική επίλυση για αυτές τις δύο κατηγορίες ρευστών, προκύπτει μια εξίσωση Poisson για την πίεση με μεταβλητούς συντελεστές λόγω των μεταβολών της πυκνότητας του θερμαινόμενου μέσου. Αυτό το χαρακτηριστικό αυξάνει σημαντικά το υπολογιστικό κόστος και επιπρόσθετα περιπλέκει την αριθμητική επίλυση ροών μεταβλητών ιδιοτήτων συγκριτικά με ροές σταθερών ιδιοτήτων. Ως συνέπεια αυτού, υπάρχει απουσία σχετικών δυσδιάστατων και τρισδιάστατων μελετών υψηλής ανάλυσης που χρησιμοποιούν άμεσες αριθμητικές προσομοιώσεις και μπορούν να δώσουν κάποια εκτενέστερη περιγραφή των φυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε τέτοιες απαιτητικές ροές. Συνεπώς, οι στόχοι που τίθενται σε αυτή τη διατριβή είναι αφενός η ανάπτυξη μιας αποδοτικής μεθοδολογίας για επίλυση ροών φυσικής συναγωγής υγρών και αερίων με μεταβλητές ιδιότητες, και αφετέρου η προσομοίωση τέτοιων ροών για να διερευνηθούν τα φαινόμενα non-Oberbeck-Boussinesq. Τα πρώτα δύο κεφάλαια αυτής της διατριβής είναι αφιερωμένα στη λεπτομερή παρουσίαση και επαλήθευση της προτεινόμενης μεθοδολογίας για άμεσες αριθμητικές προσομοιώσεις. Στα πλαίσια αυτής της μεθοδολογίας, οι εξισώσεις που διέπουν το πρόβλημα διαθέτουν μεταβλητές ιδιότητες που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Η παρουσίαση γίνεται ξεχωριστά για υγρά και για αέρια αφού οι δύο αυτές κατηγορίες ρευστών διέπονται από διαφορετικά σύνολα εξισώσεων. Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της μεθοδολογίας είναι η χρήση ενός σχήματος διαχωρισμού της πίεσης για μετατροπή της εξίσωσης Poisson μεταβλητών συντελεστών που προκύπτει για την πίεση, σε εξίσωση Poisson με σταθερούς συντελεστές. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η συμβατότητα με γρήγορους άμεσους επιλυτές οι οποίοι είναι γνωστοί για την υπολογιστική τους αποδοτικότητα. Στη συνέχεια, η προτεινόμενη μεθοδολογία θα επαληθευτεί συγκρινόμενη με σχετικές μελέτες, διαθέσιμες στη βιβλιογραφία.Στα επόμενα δύο κεφάλαια, η υπολογιστική μεθοδολογία θα χρησιμοποιηθεί για να μελετηθούν δύο ξεχωριστά προβλήματα (i) συναγωγή τύπου Rayleigh-Bénard σε νερό και (ii) φυσική συναγωγή αέρα εντός μιας διαφορικά θερμαινόμενης κοιλότητας. Σχετικές ποσότητες όπως ο αριθμός Nusselt, το πάχος του οριακού στρώματος της θερμοκρασίας, μέσα και διακυμαινόμενα πεδία θερμοκρασίας θα χρησιμοποιηθούν για να χαρακτηρίσουν την κάθε ροή. Για το πρώτο πρόβλημα, η προσοχή στρέφεται στις διαφορές μεταξύ δισδιάστατων και τρισδιάστατων προσομοιώσεων. Μια εκτεταμένη τεκμηρίωση αυτών των διαφορών αναδεικνύει ποιες ποσότητες μπορούν να υπολογιστούν με ακρίβεια σε δυσδιάστατες προσομοιώσεις και ποιες μπορούν μόνο να αναπαρασταθούν επαρκώς στις τρεις διαστάσεις. Το δεύτερο πρόβλημα προσανατολίζεται στην ποσοτικοποίηση των φαινομένων non-Oberbeck-Boussinesq για ροές εντός κοιλοτήτων με διαφορετικό λόγο ύψους-πλάτους. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στη μετατόπιση του σημείου μετάβασης από στρωτή σε τυρβώδη ροή στο θερμό και ψυχρό όριο της κοιλότητας, όσο η αλλαγή των ιδιοτήτων γίνεται εντονότερη. Thermally-driven flows can be approximated as constant property flows only when temperature differences are relatively small. In that case, the Oberbeck-Boussinesq approximation is valid and the set of governing equations is simplified. For larger temperature differences, the variation of the fluid properties cannot be ignored and, in addition, liquids and gases behave differently. When a numerical solution is attempted for both these fluid categories, a variable coefficient Poisson equation for the pressure emerges due to the density variations of the heated medium. This characteristic significantly increases the computational cost and further complicates the numerical solution of variable property flows compared to flows with approximately constant properties. As a consequence, there is a lack of relevant high-resolution, two- and three-dimensional direct numerical simulation studies that can provide some physical insight into such challenging flows. Therefore, the main objectives of this thesis are on the one hand the development of an efficient methodology to solve thermally-driven flows of liquids and gases with variable properties, and on the other hand the simulation of such flows to investigate the resulting non-Oberbeck-Boussinesq effects. The first two chapters of this thesis are dedicated to the detailed presentation and validation of the proposed numerical methodology. In the context of this methodology, the governing equations consider temperature dependent thermophysical properties. The presentation is done separately for liquids and gases since these are governed by different sets of equations. The key characteristic of this methodology is the use of a pressure-splitting scheme to transform the variable coefficient Poisson equation for the pressure into a constant coefficient Poisson equation. The major advantage of this formulation is its compatibility with fast direct solvers, which are known for their computational efficiency. The proposed methodology is then validated against relevant test cases available in the literature. In the next two chapters of the thesis, the numerical methodology is utilised to study two different variable property problems: (i) the Rayleigh-Bénard convection in water and (ii) the flow of air inside a differentially heated cavity. Relevant quantities such as the Nusselt number, thermal boundary layer thickness, time-averaged and r.m.s. temperature fields are used to characterise these flows. For the first problem, the focus is on the differences between two-dimensional and three-dimensional simulations. An extended documentation of these differences provides a clearer insight into which quantities are accurately captured in two-dimensional simulations and which are fairly represented only in three dimensions. The second problem is oriented towards the quantification of the non-Oberbeck-Boussinesq effects for different cavity aspect-ratios. Special attention is given to the relocation of the laminar-turbulence transition point on the heated and cooled boundaries of the cavity, as property variations become stronger.

Includes bibliographical references (p. 80-92). Number of sources in the bibliography: 190 Thesis (Ph. D.) -- University of Cyprus, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, 2018. The University of Cyprus Library holds the printed form of the thesis. Η υψηλά απαιτητική βιομηχανία υπολογιστών για γρήγορη σμίκρυνση των επεξεργαστών και της μνήμης τους απαιτεί ηλεκτρονικές συσκευές γρήγορες, με το μικρότερο μέγεθος, με σταθερότητα και λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες. Νέα υλικά που επιτρέπουν την λειτουργία των επεξεργαστών σε χαμηλή θερμοκρασία, και νέες δομές για ταχύτερες και μικρότερες σε μέγεθος μνήμες ηλεκτρονικών υπολογιστών μελετώνται.Για την διατριβή αυτή, έχουν μελετηθεί ιδιότητες των υλικών La5Ca9Cu24O41 και LixCoO2, σχετικές με τη χρήση τους σε τεχνολογικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, μελέτη προσομοίωσης πιθανής χρήσης του υλικού La5Ca9Cu24O41 για διοχέτευση της υψηλής θερμικής ροής στο εξωτερικό μέρος μίας εξαιρετικά-λεπτής-συσκευής-πυριτίου-πάνω-σε-μονωτή (ETSoI) έχει επιτευχθεί, και επίσης η μελέτη του φαινομένου της μεταγωγής αντίστασης του υλικού LixCoO2 με σκοπό να εντοπιστεί ο μηχανισμός που διέπει αυτό το φαινόμενο πραγματοποιήθηκε.Το υλικό La5Ca9Cu24O41 επελέγη για τη μελέτη αυτή ως υλικό με υψηλό βαθμό ανισοτροπίας στη θερμική αγωγιμότητα, ενώ την ίδια στιγμή είναι ένας ηλεκτρικός μονωτής. Για το λόγο αυτό η πιθανή χρήση του La5Ca9Cu24O41 σε ηλεκτρονικές συσκευές μπορεί να είναι υψηλού ερευνητικού ενδιαφέροντος.Το LixCoO2 είναι ένα υλικό ευρέως γνωστό για τη χρήση του ως υλικό καθόδου σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες Li-ion και εκτενώς μελετημένο. Παρόλα αυτά, έχει προσελκύσει την προσοχή μας από την πρώτη επίδειξη της μεταγωγής στην αντίστασή του το 2011 από τον Α Moradpour et al. Η απλότητα του προτεινόμενου μηχανισμού θα μπορούσε να είναι ερευνητικά και από τη σκοπιά της βιομηχανίας πολύ ενδιαφέρουσα. Ever-increasing miniaturization and high-demanding computer memory and processor industry require fast, miniaturized, reproducible and “cool” electronic devices. Novel materials that are able to lower processor temperature, and new device structures for faster and miniaturized computer memories are currently investigated.In this thesis technological application related features of La5Ca9Cu24O41 and LixCoO2 materials have been studied. In particular, a feasibility simulation study using La5Ca9Cu24O41 material for heat channeling in Extremely-Thin-Silicon-on-Insulator devices was accomplished, and an experimental study of Resistive Switching phenomena in LixCoO2–based memory cells was carried out in order to identify the mechanism governing these phenomena.La5Ca9Cu24O41 was selected for this study, as a material with highly anisotropic thermal conductivity, while at the same time is an electrical insulator. For that reason the possible use of it in electronic devices can be of high research interest. LixCoO2 is an extensively studied material and widely known for its use as a cathode material in Li-ion rechargeable batteries. Nevertheless, it has recently been shown to also exhibit resistive switching characteristics. The fundamental mechanism underlying the resistive switching behavior could be of high research and industrial interest.

Includes bibliographical references (p.133-145). Number of sources in the bibliography: 145 Thesis (Ph. D.) -- University of Cyprus, Faculty of Engineering, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, 2018. The University of Cyprus Library holds the printed form of the thesis. Η πρόβλεψη των χαρακτηριστικών της σωματιδιακής εναπόθεσης στους αεραγωγούς του ανθρωπίνου πνεύμονα αποτελεί χρήσιμη πληροφορία στην ανάπτυξη εισπνεόμενων φαρμάκων αλλά και για την αξιολόγηση των επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία της έκθεσης σε αιωρούμενα σωματίδια. Εκτίμηση της σωματιδιακής εναπόθεσης μπορεί να γίνει με μεθόδους ιατρικής απεικόνισης, οι οποίες όμως συνήθως επιβάλλουν έκθεση σε επιβλαβή́ ακτινοβολία και έτσι αποφεύγονται. Η ανάπτυξη των υπολογιστών τα τελευταία χρόνια, έχει καταστήσει τις μεθόδους υπολογιστικής ρευστομηχανικής μια προσιτή λύση που μπορεί να συμπληρώσει τις πειραματικές μεθόδους ενώ μπορεί να δώσει λεπτομερή εικόνα τόσο για τα χαρακτηριστικά της εναπόθεσης αλλά και της ροής του αέρα διαμέσου των αεραγωγών. Η παρούσα διδακτορική́ διατριβή έχει σαν στόχο την περαιτέρω ανάπτυξη και χρήση υπολογιστικών μέθοδών για την μελέτη της ροής του αέρα και της εναπόθεσης σωματιδίων στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα. Επιπρόσθετα, στοχεύει στην ανάπτυξη μέθοδών που θα οδηγήσουν σε μείωση του υπολογιστικού κόστους που απαιτείται για την προσομοίωση ολοκλήρου του ανθρωπίνου πνεύμονα. Στο πρώτο μέρος μελετάται η μεταφορά και εναπόθεση σωματιδίων σε μια ρεαλιστική γεωμετρία του ανώτερου αναπνευστικού συστήματος που ανακατασκευάστηκε από δεδομένα ιατρικής απεικόνισης χρησιμοποιώντας την μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών για την επίλυση του πεδίου ροής. Εξετάστηκε η επίδραση ενός ρεαλιστικού προφίλ ταχύτητας εισόδου, το οποίο βρέθηκε να οδηγεί σε αυξημένη εναπόθεση κυρίως στην περιοχή της γλώσσας, συγκριτικά με την περίπτωση ομοιόμορφης κατανομής ταχύτητας στην είσοδο. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της παροχής εισπνεόμενου αέρα και της ηλεκτροστατικής φόρτισης των σωματιδίων στα χαρακτηριστικά εναπόθεσης του εισπνεόμενου αερολύματος. Συνολικά, παρατηρήθηκε σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ του μεγέθους του σωματιδίου, του ηλεκτροστατικού του φορτίου και της παροχής εισπνεόμενου αέρα. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετάται η επίδραση της γεωμετρίας των εξωθωρακικών αεραγωγών στην εναπόθεση σωματιδίων στους άνω βρογχικούς αεραγωγούς σε συνθήκες σταθερής εισπνοής που συναντώνται σε περιπτώσεις χορηγήσεις εισπνεόμενων φαρμάκων. Ο στόχος είναι να διερευνηθεί κατά ποσόν μπορούν να χρησιμοποιούνται τυποποιημένες γεωμετρίες εξωθωρακικών αεραγωγών για να γίνει ακριβής πρόβλεψη των χαρακτηριστικών εναπόθεσης στους άνω βρογχικούς αεραγωγούς ενός ασθενούς. Το κέρδος από́ ενδεχομένη χρήση τυποποιημένης γεωμετρίας εξωθωρακικών αεραγωγών είναι η μείωση στο χρόνο πρόβλεψης της τοπικής εναπόθεσης, που μπορεί να συνεισφέρει στην αποτελεσματικότερη χορήγηση εισπνεόμενων φαρμάκων για την θεραπεία παθήσεων των άνω βρογχικών αεραγωγών (πχ. άσθμα). Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η εναπόθεση σωματιδίων στους άνω βρογχικούς αεραγωγούς μπορεί να υπολογιστεί με αρκετή ακρίβεια εάν είναι γνωστή η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων που εξέρχεται από τους εξωθωρακικούς αεραγωγούς. Επιπλέον, τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ότι σε περιπτώσεις όπου μελετάται η εναπόθεση σωματιδίων στους άνω βρογχικούς αεραγωγούς για συγκεκριμένους πληθυσμούς, το υπολογιστικό κόστος μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας τυποποιημένες γεωμετρίες εξωθωρακικών αεραγωγών για τις οποίες το πεδίο ροής έχει υπολογιστεί εκ των προτέρων. Σε αυτή την περίπτωση μπορούν να αξιοποιηθούν οι διαθέσιμες βάσεις δεδομένων αξονικής τομογραφίας θώρακα για να εξαχθούν συμπεράσματα όσον αφορά τα χαρακτηριστικά εναπόθεσης στο συγκεκριμένο πληθυσμό. Στο τρίτο μέρος της εργασίας αναπτύσσεται μέθοδος για την πρόβλεψη της σωματιδιακής εναπόθεσης σε μοντέλο που περιλαμβάνει βρογχικό δέντρο 10 γενεών ενωμένο με αναπνευστικές κυψελίδες. Για να γίνει δυνατή η προσομοίωση, το μοντέλο αποσυνδέεται λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες στρωτής ροής με χαμηλούς αριθμούς Reynolds και την απλοποιημένη γεωμετρία. Συνεπακόλουθα, προσομοιώνεται μόνον μια διακλάδωση ανά γενιά στο βρογχικό δέντρο και ένα μοντέλο αναπνευστικής κυψελίδας, τόσο για την φάση του αέρα όσο και για την σωματιδιακή φάση, για την οποία λαμβάνεται υπόψη η πραγματική θέση των σωματιδίων στο μοντέλο ώστε να γίνεται ορθός υπολογισμός των δυνάμεων βαρύτητας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την σημαντική μείωση του υπολογιστικού κόστους και καθιστά εφικτή την προσομοίωση μεγάλων περιοχών του ανθρώπινου πνεύμονα. Η προτεινομένη μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελέτες εναπόθεσης σε μοντέλα ασθενούς ή παιδικού πνεύμονα. Επιπρόσθετα, μπορούν να εξαχθούν μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν την εναπόθεση οι οποίες στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν σε απλουστευμένα αναλυτικά μοντέλα για γρήγορους υπολογισμούς. Knowledge of aerosol deposition characteristics in the human airways is important in pulmonary drug delivery as well as in assessing health effects of inhaled pollutants. Determination of deposited aerosol dose can be accomplished in vivo, in vitro or in silico. In vivo techniques describe the real state but their usage remains limited due to insufficient spatial resolution and concerns over patient exposure to radiation. In vitro methods allow systematic studies on particle size and flowrate effects, but they are costly and time-consuming and cannot easily be performed on a routine basis. In silico methods can fill this gap by providing detailed information about regional deposition and airflow characteristics in the human airways. The objective of this thesis is to advance the use of Computational Fluid-Particle Dynamics (CFPD) tools in studies related to aerosol transport and deposition and provide new insights concerning airflow physics and deposition mechanisms in both the upper airways and the peripheral lung. In addition, towards high resolution simulations of airflow and particle deposition in the entire lung, our goal is to develop methods that lead to reductions in the associated computational costs. In the first part, airflow and particle deposition in a realistic geometry of the human upper airways derived from computed tomography scans, is examined using Large Eddy Simulations. A realistic inlet velocity profile, measured at the breathing zone of a thermal breathing manikin was used to assess the effect of inlet conditions on deposition in the extrathoracic airways. We have found that realistic inlet conditions result in enhanced deposition, mostly on the tongue. Furthermore, the influence of inhalation flowrate and electrostatic charge carried by particles on deposition was examined. Overall, we observe a significant interplay between particle size, electrostatic charge, and flowrate. In the second part, we have carried out a numerical investigation in order to determine the effect of the extrathoracic airways on regional deposition in the tracheobronchial airways. The goal is to examine whether standardized mouth-throat models can be utilized for accurate deposition predictions in the tracheobronchial airways resulting in significant reductions in the computational cost. Our results suggest that accurate predictions of regional deposition in the tracheobronchial airways can be obtained if the particle size distribution that escapes filtering in the mouth-throat of a particular patient is known or can be estimated. These findings open the prospect for significant reductions in the computational expense, especially in the context of in silico population studies, where the aerosol size distribution and precomputed flow field from standardized mouth-throat models could be used with large numbers of tracheobronchial geometries available from chest computed tomography scans. In the third part, we introduce an efficient CFPD-based methodology for the prediction of aerosol deposition in the deep lung under various breathing scenarios. In the proposed methodology, the computational cost is reduced by taking advantage of the flow similarity in the distal regions of the lung. Topological information is used to account for the correct gravitational force on the particles, emulating their transport characteristics in the actual tree. The developed methodology can be adopted for future studies in diseased models of the peripheral lung or models of a child’s lung. Furthermore, the outcomes of the CFD methodology for a range of factors known to influence aerosol transport in the deep lung can be used to extend the predicting capabilities of simpler analytical 1-D models.