Denna avhandling utforskar effekten av lokala icke-linjära fenomen på en struktur som i övrigt kan beskrivas linjärt med hög noggrannhet, med fokus på bränsleskvalp i externa laster. Trots att högupplösta simuleringar av dessa fenomen är möjliga, är de så komplexa att det inte är möjligt att använda dessa i en skarp produktutvecklingsmiljö där tusentals analyser genomförs.

Experimentell modalanalys av flera uppsättningar kompositvingar uppvisar tillverkningsinducerade asymmetrier, med en signifikant frekvensförskjutning för första böjmoden mellan vingarna i en uppsättning. Dessa variationer orsakade att nominellt symmetriska och antisymmetriska modformer skiftade till moder dominerade av en vinge i taget. Tester av ett vingsystem med bränsletank visade att vätskefyllda konfigurationer uppvisar distinkta beteenden jämfört med motsvarigheter fyllda med stel massa. Vid en fyllnadsgrad på 50 \% i den våta konfigurationen försvann en strukturell mod för sidrörelse (store sway), som fanns i den torra konfigurationen. Dessutom introduceras tydliga frekvensskift och en ökning av strukturell dämpning i torsionsmoder. Excitering med industrirobot utvärderades med samma tank monterad på en robot, med fokus på förmågan att uppnå kaotisk vätskerörelse. Det visas vara ett giltigt alternativ till shakerexcitering.

Numeriska simuleringar med individuellt uppdaterade finita elementmodeller visade på en variation i kritiska fladderhastigheter. Konfigurationer med vätskefyllda tankar uppvisade generellt högre kritiskt dynamiskt tryck än motsvarigheter med stel massa, på grund av en ökad frekvensseparation mellan vingens fundamentala böj- och torsionsmoder. Resultaten indikerar att linjära modeller som approximerar bränsle som en frusen massa, kan leda till en underskattning av kritiskt dynamiskt tryck. Experimentell validering av strukturdynamiska egenskaper är avgörande för att säkerställa robustheten i analytiska fladderprediktioner.

A spillway is a critical hydraulic structure designed to regulate water level, prevent overflow and ensure discharge from the reservoir to downstream. A spillway can experience cavitation if the water velocity exceeds 20 m/s, requiring its design to be optimized. Many existing spillway devices were constructed with lower capacities and are inadequate to discharge the current design water flows. Cavitation in spillways with high head poses a risk to structural integrity and dam safety. Aeration devices mitigate bubble collapse and subatmospheric pressure conditions, which reduces the risk of cavitation damage to concrete surfaces. The investigation of such flow behavior is complex due to the high turbulence and unsteady nature of the two-phase flows.

To evaluate such scenarios, laboratory models and physical tests are often used to investigate the load-carrying capacity and energy conversion. However, accurately measuring airflows under high flow conditions remains challenging. Numerical calculations (CFD) complement physical experiments and enable independent hydraulic investigations, providing valuable insights into the behavior of mixed-phase flows.

This paper presents numerical studies of two-phase flows and energy conversion in a spillway, focusing on high-velocity flow conditions that are critical for dam safety. The main objective is to use numerical tools to assess the hydraulic performance of the spillway and to provide practical guidance for design and operation. Along with a hierarchy of turbulence models, including Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Detached Eddy Simulation (DES), Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) and Large Eddy Simulation (LES), the study uses advanced CFD techniques, including the so-called Volume of Fluid (VOF) model and two-phase models. The numerical models are validated against experimental data.

Paper I presents an investigation of four geometric designs of flat and pooled step-like discharges. The main results from Paper I show that pooled step configurations improve energy conversion and reduce the risk of cavitation compared to flat step designs. In addition, the pooled steps exhibited superior overall hydraulic performance and improved flow behavior, by achieving the lowest downflow velocities and effectively minimizing the cavitation potential. Furthermore, Paper II investigates the comparative performance of 2D and 3D modeling methods, together with advanced turbulence models, for simulating two-phase flow of air and water. The results indicate that 2D Eulerian models are suitable for shallow water flows with negligible vertical velocity components and are appropriate for preliminary analyses due to their computational efficiency and reasonable accuracy. In contrast, 3D models are better suited for highly accelerated and highly turbulent flows, and offer improved accuracy, especially in representing complex flow characteristics. Advanced turbulence resolving methods, such as DES and DDES, provide improved resolution of the flow field and more reliable predictions of air entrainment. In addition, the application of 3D turbulence modeling improves the description of air-water flow behavior and increases the accuracy of the prediction of air concentration in the impact zone.

Next, Article III examines the sensitivity of aerated discharge predictions to grid resolution using Sub Grid Scale modeling (SGS). The results show that grid resolution with Locally Refined Structured Meshes (LRSM) exhibits improved accuracy in capturing complex air-water interactions compared to Unstructured Meshes (USM). Furthermore, aerated discharge predictions are significantly more sensitive to grid resolution than to the choice of SGS modeling approach.

Denna licentiatuppsats utvecklar och prototypiskt demonstrerar Digital Twin (DT)-arkitekturer för urbana transportsystem med fokus på vägtrafikutsläpp, kollektivtrafik och datadriven skattning av vägflöden för att stödja simuleringsbaserade DT-arbetsflöden. För att föra dagens transportrelaterade DT-lösningar vidare från isolerade sensordashboards och fristående simuleringar behandlar avhandlingen tre forskningsmål: 1) att formulera en överförbar DT-arkitektur för nätverksomfattande skattning i realtid, prognoser och retrospektiv analys av vägtrafikutsläpp, 2) att utforma en öppen, automatiserad och utbyggbar utvecklingspipeline för DT inom kollektivtrafik, samt 3) att undersöka robustheten och överförbarheten hos Partial Least Squares Regression (PLSR) för rekonstruktion av vägflöden från länktrafikobservationer.

Artikel I utvecklar och demonstrerar ett utsläppsorienterat DT-ramverk som integrerar kamerabaserad datainsamling, efterfrågeskattning, hybrid trafiksimulering och interaktiv 3D-visualisering. Trafikkameror behandlas med en datorseendepipeline som detekterar och klassificerar fordon samt extraherar hastighet och acceleration, vilka används för att skatta utsläpp i realtid vid kamerapositionerna. För att vidare uppskatta utsläpp på nätverksnivå används kameradata för att skatta dynamisk OD-efterfrågan som sedan används som indata till mikrosimulering. En Unity-baserad 3D-plattform integrerar sensor- och simuleringsdata via MQTT-baserad dataströmning. Plattformen möjliggör gemensam analys av nästan realtida utsläpp vid sensorplatser och simulerade utsläppsskattningar i det omgivande nätverket. En fallstudie i Kista, Stockholm, visar ramverkets förmåga att stödja både realtidsskattning av utsläpp och scenarioanalys, exempelvis genom att bedöma förändringar i nätverksomfattande utsläpp vid minskad parkeringstillgång.

Eftersom DT-system integrerar flera komplexa komponenter är deras utveckling ofta resurskrävande och tidsintensiv. För att sänka trösklarna föreslår Artikel II en öppen och automatiserad DT-utvecklingspipeline för kollektivtrafik som bygger på öppna data, öppna standarder och programvara med öppen källkod. Kollektivtrafikens drift representeras med GTFS-data, där den statiska delen används som indata till mikroskopisk trafiksimulering för att möjliggöra gemensam simulering av kollektivtrafikfordon och interaktioner med privat trafik. GTFS realtidsflöden möjliggör både övervakning av aktuell kollektivtrafikdrift genom visualisering med låg latens och retrospektiv analys av händelser genom en databas som lagrar historiska observationer. Trafikdata på länk- och fordonsnivå visualiseras tillsammans med automatiskt genererade OSM-baserade byggnadsmodeller i en Cesium-baserad webbplattform. Denna interaktiva visualisering gör det möjligt för användare att växla mellan realtidsövervakning, scenariobaserad prognostisering och uppspelning av historisk drift i en rumslig 3D-kontext som underlättar välgrundat beslutsfattande. En fallstudie i Kista, Stockholm, demonstrerar pipeline-lösningens tekniska genomförbarhet genom att visa realtida kollektivtrafikdrift och simuleringsbaserade scenarier i den interaktiva 3D-baserade DT-plattformen.

Artikel III formulerar och utvärderar en PLSR-baserad skattare av vägflöden som ett datadrivet alternativ till konventionell skattning av OD-matriser inom DT-baserade simuleringsarbetsflöden. Att skatta ett större antal OD-par utifrån ett mindre antal länkräkningar, i kombination med kollinearitet i observationerna, gör problemet att skatta vägflöden ill-posed. PLSR lär sig en lågdimensionell latent representation som maximerar kovariansen mellan observerade länkflöden och vägflöden, vilket ger en implicit regularisering av det ill-posed inversa problemet. Även om metoden har använts i liknande problemsammanhang har den ännu inte tillämpats för skattning av vägflöden. Studien utvärderar därför dess lämplighet genom att analysera dess stabilitet och överförbarhet med hjälp av ett syntetiskt testnätverk och kontrollerade datagenererande processer som speglar praktiskt relevanta OD- och vägvalsstrukturer. Experimenten visar att PLSR uppnår lägst rekonstruktionsfel när variationen i vägflöden domineras av variation i OD-efterfrågan. Ökad slumpmässighet i vägval minskar däremot initialt rekonstruerbarheten, men prestandan stabiliseras när systemen går in i regimer med stark konkurrens mellan vägar. Experimenten indikerar vidare att PLSR är pålitligt överförbar när träning och tillämpning delar samma korrelationsregimer, men att prestandan försämras nära regimgränser där OD-drivna korrelationer övergår i korrelationer som orsakas av konkurrens mellan vägval. Resultaten tyder på att PLSR kan fungera som en snabb och datadriven skattare av vägflöden i DT-sammanhang. För att säkerställa tillförlitliga skattningar över tid krävs dock kontinuerlig övervakning av de underliggande korrelationsregimerna för att upptäcka skiften och träna om modellen vid behov.