▼ Työn tavoite on tutkia Discovery Ansys Integrated Multiphysics (Discovery AIM) ohjelman soveltuvuutta virtauslaskennan ja lämmönsiirron ongelmien ratkaisuun ja simulaatiokykyyn. Soveltuvuutta testataan vertaamalla kirjallisuudesta otettuja analyyttisesti ratkaistuja tehtäviä AIM:n numeeriseen ratkaisuun. Lisäksi testataan ohjelman kykyä mallintaa koeympäristö, jossa tietokoneen suoritinta jäähdytetään jäähdytyselementin ja tuulettimen yhdistelmällä. Työ keskittyy AIM:n virtauslaskenta- ja lämmönsiirtopuoleen, jotka hyödyntävät käsitteeksi nousseen Ansys Fluentin numeerisia ratkaisijoita. AIM soveltuu myös mm. lujuuslaskentaan ja sähkömagneettisten ilmiöiden mallintamiseen, mutta näihin ominaisuuksiin ei työssä syvennytä, koska ne eivät ole työn rajauksen ja tarpeen kannalta oleellisia. Työn alussa käydään läpi virtauslaskennan teoriaa, sekä yleisimpiä siihen liittyviä käsitteitä. Tämän jälkeen tutustutaan AIM:n käyttöliittymään, sekä ominaisuuksiin. Tarkoituksena on antaa kuva, kuinka ohjelmisto toimii ja esittäytyy käyttäjälle. Tässä osiossa tutustutaan myös AIM:n rajoitteisiin, jotka rajoittavat sen käytettävyyttä virtauslaskennan ja lämmönsiirtymän osa-alueilla. Teoriaosuuden jälkeen esitellään analyyttiset ongelmat, joita on tarkoitus mallintaa numeerisesti. Ensin esitellään, mikä on ongelman ratkaisu analyyttisesti, ja tämän jälkeen esitetään, kuinka työ pyritään siirtämään AIM-ohjelmaan ja ratkaisemaan numeerisesti. Seuraavaksi esitellään testikokoonpano, sekä käytetty ohjelmisto ja työkalut, joilla testikokoonpanosta otetaan mittauksia simulaation rakentamista varten. Tämän jälkeen esitetään, kuinka testi suoritetaan ja mitä mittauksia tehdään testin aikana, sekä käydään läpi testilaitteiston ominaisuuksia. Lisäksi käydään läpi simulaatiomallin rakentaminen, käytetyt alku- ja reunaehdot. Testikokoonpanona toimi sitä varten rakennettu tietokonekokoonpano, jossa mitattiin lämpötiloja rasituksen yhteydessä prosessorin jäähdytyselementistä. Lopuksi käytiin läpi tulokset ja todettiin, että Ansys (Discovery) AIM ei sovellu hyvin teoreettisten ongelmien mallintamiseen, sillä jo pienessä otannassa havaittiin suurimmillaan yli kuuden prosentin heittoja tulokseen, sekä mallien alustus on vaikeaa ohjelmistolla, jolla ei voida mallintaa kaksiulotteisia virtauksia. Simulaation rakentaminen koeympäristön ja -mittausten perusteella onnistui hyvin ja AIM:ää voi suositella teollisiin ja kokeellisiin mittausympäristöihin, jos virtausgeometrian deformaatiolla tai reaktiivisilla virtauksilla ei ole vaikutusta lopputulokseen.The objective of this thesis work was to study, how Discovery Ansys Integrated Multiphysics (Discovery AIM) fares with solving analytical fluid flow and heat transfer problems numerically and how well is it able to build a simulation according to measurements from a test rig. These problems were chosen to represent some of the most common types from literature. This work concentrates only on the fluid flow simulation and thermal simulation properties of AIM, which use the same solver as Ansys Fluent.…

▼ 

Abstract The CAS-OB (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) process is used in secondary steelmaking to adjust the composition and temperature of the steel melt. The steel melt can be heated by oxidizing aluminium in process which feeds aluminium particles and oxygen to the melt surface. Oxygen is in fed by a top lance, which is an important part of many metallurgical processes and is typically used to deliver oxygen to steel melt surface by supersonic blowing. Because observing and measuring the metallurgical processes is challenging due to the high temperature, numerical models predicting the processes are especially important. In this thesis, both top lances and the heat-up stage of the CAS-OB process were studied, and numerical models were constructed. CFD (computational fluid dynamics) were used to study top lances. A turbulence model was adjusted for supersonic flows with experimental data from literature. The CAS-OB process model involves chemical reactions and fluid flows. In order to keep the computation times reasonable, a full fluid flow calculation is not included in the model but is calculated in advance. Heat and mass transfer correlations are calculated with CFD, and the results are then used in the process simulation model. Chemical reactions are calculated based on the law of mass action and thermodynamics. The results were validated with industrial measurements. The CAS-OB heat-up stage model can be used in its current state in process development, and in the future for online control of the process. The CFD model for the top lance can be applied to a lance in any other process.

Tiivistelmä CAS-OB-prosessia (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) käytetään teräksen valmistuksessa sulan teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätämiseen. Terässulaa voidaan tarvittaessa lämmittää syöttämällä alumiinikappaleita ja happea sulan pinnalle. Hapen syöttö tapahtuu yliäänilanssilla, jota käytetään monissa metallurgisissa prosesseissa, yleensä toimittamaan happea sulan pinnalle yliäänisellä puhalluksella. Metallurgisten prosessien havainnointi ja mittaaminen ovat haastavia korkeiden lämpötilojen vuoksi, joten numeeriset mallit ovat erityisen tärkeitä prosessien ennustamisessa. Tässä työssä on tutkittu yliäänilansseja ja CAS-OB-prosessin lämmitysvaihetta ja luotu niille numeeriset mallit. Yliäänilanssien tutkimiseen käytettiin numeerista virtauslaskentaa (CFD, computational fluid dynamics). Lanssien mallinnusta varten olemassa olevaa turbulenssimallia muokattiin paremmin yliäänivirtausta kuvaavaksi kirjallisuudesta löytyvän mittaustiedon perusteella. CAS-OB-prosessimallissa huomioidaan virtaus ja kemialliset reaktiot. Koska laskenta-ajat haluttiin pitää käytännöllisinä, virtauslaskentaa ei suoriteta mallissa, vaan se tehdään etukäteen. Aineen- ja lämmönsiirtokertoimet lasketaan CFD-laskennalla, ja tuloksia käytetään prosessimallissa. Kemialliset reaktiot lasketaan perustuen massavaikutuksen lakiin ja termodynamiikkaan. CAS-OB-mallin tulokset on…

Advisors/Committee Members: Fabritius, T. (Timo), Järvinen, M. (Mika).

▼ 

Tämän opinnäytetyön aiheena oli paremman koneistusjärjestyksen hakeminen Konepaja Stryni Oy:ssä käytössä olevalle FMS-järjestelmälle. Työssä käsitellään FMS-järjestelmien kehityshistoriaa sekä niiden erilaisia rakenteita ja osa-alueita. Stryni Oy:llä on ollut vuodesta 2001 lähtien käytössä Fastemsin valmistama FMS-järjestelmä. Järjestelmässä ajossa oleville palettisarjoille haetaan tässä opinnäytetyössä koneistusjärjestys, jossa järjestelmään liitettyjen työstökoneiden käyttöaste on mahdollisimman korkea. Työssä mitattiin eri palettien lataus-, koneistus- ja purkuajat. Optimaalista järjestystä haettiin mitattujen aikojen perusteella. Työn lopputuloksena on palettisarjalle määritetty koneistusjärjestys.

OPTIMIZATION OF FMS The purpose of this thesis was to plan optimal machining sequence for FM-system used in Stryni Oy. Thesis describes development history, different structures and sections of FM-systems. FM-system manufactured by Fastems has been used in Stryni Oy since 2001. In this thesis attempted to define the best machining sequence for pallet sets to obtain utilization of machining centers connected in system as high as possible. Loading, machining and unloading time of every pallet was measured and defining of optimal sequence based on measured times. Result of this thesis is machining sequence for pallet set.

Advisors/Committee Members: Satakunnan ammattikorkeakoulu.

▼ Tässä diplomityössä tutkittiin kaasun painetason vaikutusta levylämmönsiirtimen toimintaan, mitä tutkittiin syöttämällä lämmönsiirtimeen eri painetasoilla olevaa ilmaa. Työssä tutkittava läm- mönsiirrin oli tyypiltään Vahterus Oy:n valmistama Plate&Shell-levylämmönsiirrin ja sen toimintaa tarkasteltiin lämmönsiirron ja painehäviön muutoksien kannalta. Työssä lämmönsiirron ja pai- nehäviön suuruksia tarkasteltiin mittauksien, virtaussimulointien ja analyyttisten korrelaatioiden avulla. Näillä menetelmillä saadut tulokset esiteltiin painehäviön ja lämmönsiirron absoluuttisina suuruuksina ja dimensiottomassa muodossa Eulerin ja Nusseltin lukujen avulla. Mittaukset suoritettiin kahdessa osassa. Aluksi lämmönsiirtimen toimintaa mitattiin, kun siihen syötettiin 6-9 barin absoluuttisessa paineessa olevaa ilmaa, jonka jälkeen lämmönsiirtimen toimintaa tutkittiin normaali-ilmanpaineessa. Paineilmatesteissä haluttu painetaso ja massavirta kehitettiin ruuvikompressorilla ja normaali-ilmanpainetta vastaavissa testeissä haluttu virtaus luotiin puhaltimella. Kaikki testit suoritettiin pakka- ja vaippapuolilla ja vasta- ja ristivirtakonfiguraatioita. Työssä käytettävät virtausmallinnukset tehtiin 1, 6 ja 9 barin absoluuttisilla painetasoilla ja näissä käytettävät reunaehdot määriteltiin vastaamaan samoilla painetasoilla tehtyjä mittauksia. Työssä käytetyt virtausmallinnukset tehtiin vastavirtakonfiguraatiolle lämmönsiirtimen pakka- ja vaippapuolille ANSYS Fluent 19.1 ohjelmistolla. Tulosten verifiointi ja verkkoriippumattomuus tarkastelu on tärkeä osa virtauslaskentaa. Työssä verkkoriippumattomuutta tarkasteltiin 6 bar ta- pauksella kahdella eri laskentaverkon tiheydellä pakka- ja vaippapuolilla. Virtausmallit verifioitiin vertaamalla mallinnustuloksia mittauksiin. Työssä virtausmallinnuksien avulla pyrittiin erityisesti selvittämään sitä, että vaikuttaako painetason muuttuminen virtauksen ja lämpötilan jakautumi- seen levyvälin sisällä, mitä tavanomaiset menetelmät eivät kykene ennustamaan. Tärkeänä osana työtä oli löytää mahdolliset ilmiöt, joita tavanomaiset painehäviön ja lämmönsiirron korrelaatiot eivät kykene ennustamaan. Tämän takia mittauksia ja simulointeja verrattiin kahteen analyyttiseen korrelaatioon, mitkä muokattiin vastaamaan pyöreää lämmönsiirtolevyä. Korrelaatiossa käytetyt aineominaisuudet ja virtaustila määriteltiin vastaamaan tehtyjä mittauksia. Työssä käytetyt korrelaatiot eivät huomioineet virtauksessa tapahtuvaa painetason muutosta millään poikkeavalla tavalla. Työssä tutkitun teorian perusteella painetasosta johtuvat muutokset tu- lisivat esiin, jos korrelaatioiden, simulaatioiden ja mittauksien pohjilta lasketuissa Eulerin tai Nusseltin luvuissa tapahtuisi Reynoldsin luvuista riippumattomia muutoksia.

▼ Tämä tutkielma käsittelee numeerisen integroinnin kahta integrointimenetelmää, Newton-Cotesin ja Gaussin integrointimenetelmiä. Graafisesti integrointi tarkoittaa tietyn käyrän ja x-akselin väliin jäävän pinta-alan määrittämistä integrointivälin päätepisteiden välissä, kun käyrää vastaava funktio on positiivinen. Newton-Cotesin integrointimenetelmä on yleisin numeerisista integrointimenetelmistä. Menetelmä perustuu siihen, että hankalasti integroitava funktio korvataan approksimoidulla funktiolla, joka on helppo integroida. Kun tarkastellaan integrointivälin tasavälistä jakoa ja käytetään Lagrangen interpolaatiokaavaa, approksimoidulle polynomille saadaan johdettua summalauseke painoineen ja pisteineen. Eri painot vastaavat Newton-Cotesin kaavoja. Yleensä Newton-Cotesin kaavoja ei sovelleta koko integrointivälille, vaan yksitellen osaväleillä, joihin integrointiväli on jaettu. Kun integraalia arvioidaan osavälien approksimaatioiden summalla, saadaan yhdistettyjä sääntöjä. Gaussin integrointimenetelmässä integraali on esitetty painofunktion ja funktion tulona. Integrointiväliä ei kuitenkaan jaeta tasaisiin väleihin, sillä päästään parempiin tuloksiin, jos pisteet valitaan tarkan integroitumisen kannalta optimaalisella tavalla. Ennen Gaussin integrointisääntöjen muotoilua käydään läpi keskeisiä tuloksia painofunktioista, ortogonaalisista polynomeista ja tridiagonaalimatriiseista. Painofunktio ja skalaaritulo määritellään, ja käydään läpi ortogonaalisiin polynomeihin liittyviä lauseita, jotka karakterisoivat painoja ja pisteitä. Lopuksi tarkastellaan Gaussin integrointikaavoja etukäteen kiinnitetyillä luvuilla ja painoilla. Näin saadaan säännöt Radaun ja Lobatton integroinnille. Tärkeimmät viitekirjat työssä ovat J. Stoerin ja R. Bulirschin Introduction to Numerical Analysis ja P. J. Davisin ja P. Rabinowitzin Methods of Numerical Integration.

▼ 

This thesis considers several aspects of the application of CFD to the study of diesel engines. In this work, certain submodels used in diesel engine modeling have been compared and analyzed. The submodels studied are related to the modeling of turbulence, drop breakup, ignition, chemistry, combustion, and emissions. Most of the submodels have been used extensively in different engines and with different engine loads. Many of the models have been implemented by the author and some of the models have been modified for better predictive capabilities. The results from the comparison of turbulence models showed that the best pressure trend predictive capabilities were with a modified version of the RNG k-ε turbulence model. The tests using a LES model for turbulence showed, however, that more research is needed before it can be applied completely. Considering droplet breakup modeling, good results were obtained in terms of spray penetration and drop sizes with different models. It was also observed that even more important than the chosen drop breakup model is the proper tuning of the chosen model according to the experimental conditions. Comparison of two different ignition treatments revealed that, especially under low-load conditions, accurate modeling of the ignition process becomes important. The results from different descriptions of the main chemistry, as well as from the comparison of two very different mixing models of combustion, suggest that the mixing-limited assumption in the modeling of the heat release rate in diesel engines is a good approximation. Soot emissions have been predicted with the Hiroyasu-Magnussen soot model, as well as with a proposed soot model that is based on available soot Phi-T maps. The developed soot model was compared with the Hiroyasu-Magnussen model with different engine loads and to the measured soot emissions, and it was observed to yield promising results.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan dieselmoottorien kehitystyössä käytettävien numeeristen osamallien vaikutuksia simulointituloksiin ja vaikutusten merkitystä simulointitulosten kannalta. Eri osamalleja ja niiden vaikutuksia on analysoitu ja vertailtu useissa eri moottoreissa ja käyttötilanteissa. Osamallit liittyvät turbulenssin, pisaroiden hajoamisen, polttoainehöyryn syttymisen, kemiallisten reaktioiden, palamisen kuvauksen ja päästöjen syntymisen mallintamiseen. Monet osamalleista on liitetty virtauslaskentaohjelmistoon kirjoittajan toimesta ja joitakin malleja on modifioitu niiden ennustusominaisuuksien parantamiseksi. Turbulenssimallien vertailu osoitti, että parhaan sylinterin painekäyrän ennustekyvyn antoi modifioitu RNG k-ε malli. LES-mallinnus sopii moottoreille hyvin mutta työssä huomattiin, että LES-mallinnusta tulee vielä kehittää, jotta siitä saadaan varteenotettava työkalu. Pisaroiden hajoamisen mallinnuksessa suihkujen tunkeumat ja pisarakoot vastasivat hyvin mitattuja tuloksia. Työssä havaittiin myös, että vielä tärkeämpää kuin sopivan pisaroiden hajoamismallin valinta, on valitun mallin säätäminen…

Advisors/Committee Members: Helsinki University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Internal Combustion Engines Laboratory.

▼ 

Large eddy simulation (LES) is an approach to numerical simulation of turbulent flows. The so-called large scales are solved from the Navier–Stokes equations and the effect of the subgrid scales (SGS) is modelled. This thesis concentrates on the numerical and modelling error of LES where second-order finite-difference schemes and simple SGS models are applied. The work is restricted to these methods because they are often applied in practical LES, and some groups have reported results concerning a large numerical error related to low-order finite-difference-type schemes when compared to the effect of the SGS model. The research work of this thesis is divided into three parts. First, the error components are studied a priori. The focus is on a priori testing of the explicit filtering of the non-linear convection term of the Navier–Stokes equations, which has been suggested as a method to reduce the numerical error. In the second part, explicit filtering is applied in actual LES. The aim is to clarify if it is possible to improve the actual simulation results by explicit filtering as suggested by the a priori studies. In addition, the use of implicit filtering provided by both eddy-viscosity-type models and so-called subfilter-scale (SFS) models are compared to explicit filtering. In the third part, the error components are studied a posteriori using so-called grid-independent LES with and without explicit filtering and the Richardson extrapolation. The aims are related to separating the error components, clarifying the effect of explicit filtering, grid resolution and SGS model parameters on the components and to comparing the approaches. As a test case, a fully developed turbulent channel flow between two parallel walls is applied in all three parts of the thesis. The results of the a priori tests suggest that explicit filtering of the non-linear convection term effectively reduces the numerical error and increases the effect of the SGS model. However, in the actual performed simulations, explicit filtering increased the total simulation error and decreased the effect of the applied SGS models. Based on the performed a posteriori tests, in actual simulations with the standard Smagorinsky model, the numerical and modelling error are of the same magnitude, and explicit filtering with a smooth filter introduces a third error component which is larger than the other two error components. Of the applied approaches, the a posteriori tests using the grid-independent LES explain the behaviour of the actual simulations. The numerical error predicted by the a priori tests is too large and the effect of SGS modelling and explicit filtering are not properly described. The Richardson extrapolation for the numerical error is not valid at the applied grid resolution.

Suurten pyörteiden simulointi (LES) on lähestymistapa turbulentin virtauksen numeeriseen simulointiin. Nk. suuret pyörteet ratkaistaan Navier-Stokesin yhtälöistä ja alihilapyörteiden vaikutus mallinnetaan. Tässä väitöskirjassa keskitytään LES:n numeeriseen…

Advisors/Committee Members: Helsinki University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Laboratory of Aerodynamics.

▼ 

Abstract In the design and development of unit operations in chemical engineering, experimental testing is often very expensive or even impossible to perform. In these kinds of situations, numerical simulations offer a good approach to study process characteristics. Typically in chemical engineering, data-based modeling is applied to study the process. This requires many experiments for tuning the model parameters and validating the model. In a phenomenology-based approach, the evolution of the system is dictated by fluid and particle transport equations. These equations are independent of the process, and can therefore be applied in various systems. However, depending on the system, there are several aspects that have to be taken into account in order to choose the correct model for the problem in hand. In this work, computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) modeling have been applied in different unit operations in the field of chemical engineering. CFD was applied in preventing sedimentation in a tube heat exchanger, estimating the cooling efficiency of a vertical water jet onto a hot metal plate, and studying the formation of the slag free open-eye area on the steel ladle. For comparison, DEM was applied in the continuous high-shear granulation of pharmaceutical powder. The different models used in this work are reviewed, and the results are presented from the point of view of model and process development. The grid aspects in CFD simulations and the termination criteria for DEM and CFD simulations are also studied. Based on the results of this work, phenomenological modeling can be considered to be an efficient tool for unit operation design. Together with experimental work, different modeling strategies offer a powerful tool for the design and development of unit operations.

Tiivistelmä Kemiantekniikan yksikköprosessien suunnittelussa kokeellinen tutkimus on usein erittäin kallista ja joskus jopa mahdotonta toteuttaa. Tällöin mallinnus tarjoaa hyvän lähestymistavan yksikköprosessin ominaisuuksien tutkimiselle. Tyypillisesti kemianteollisuudessa, datapohjaista mallinnusmenetelmiä on käytetty systeemin ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin paljon koetoistoja mallin parametrien virittämiseksi ja mallin validoimiseksi. Ilmiöpohjaisessa mallinnuksessa, systeemin aikakehitys määräytyy fluidi- ja partikkelivirtauksia määräävien kuljetusyhtälöiden perusteella. Nämä yhtälöt ovat prosessista riippumattomia, jolloin niitä voidaan soveltaa yleisesti mihin tahansa systeemiin. Riippuen kuitenkin tutkittavasta yksikköprosessista, eri asioita on otettava huomioon, jotta oikea malli voidaan valita kuvaamaan systeemiä. Tässä työssä virtauslaskentaa (computational fluid dynamics, CFD) ja partikkelimenetelmää (discrete element method, DEM) on käytetty erilaisten kemiantekniikan yksikköprosessien tutkimuksessa. CFD:n avulla on tutkittu putkilämmönvaihtimen sedimentaation ehkäisyä, laminaarisen suorasuihkujäähdytyksen tehokkuutta teräslevyn jäähdytyksessä, sekä…

Advisors/Committee Members: Muurinen, E. (Esa), Keiski, R. (Riitta).

▼ John Locken (1632–1704) mukaan persoona on ajatteleva, älykäs olio, joka kykenee itsereflektioon ja pitämään itseään yhtenä ja samana oliona yhdestä ajanhetkestä toiseen kokemistaan laadullisista muutoksista huolimatta. Persoonan kyky pitää itseään numeerisesti ja diakronisesti identtisenä perustuu tietoisuuteen. Tämän tietoisuuden jatkuvuuden kanssa Locke samastaa persoonan identiteetin. Locken persoonan identiteetin teoria ei siis nojaudu immateriaalisten tai materiaalisten substanssien, kuten sielujen tai fysikaalisten kappaleiden, muuttumattomuuteen, vaan se pyrkii tarjoamaan tilalle tietoisuuteen perustuvan teorian persoonan identiteetistä. Tämä pro gradu -tutkielma tarkastelee Locken persoonan identiteetin teoriaan liittyviä tulkinnallisia ongelmia. Perinteisemmän metafyysisen tulkintalinjan sijaan tutkielmassa puolustetaan Lex Newmanin episteemistä tulkintaa Locken teoriasta ja pyritään lisäksi tarjoamaan lisäargumentteja episteemiselle tulkintatavalle.

▼ Tutkimuksessa tarkastellaan Suomessa 1990-luvun vaihteessa toteutetun pääomatulojen verotuksen uudistamisen vaikutuksia kansantalouteen ja kotitalouksien hyvinvointiin. Verouudistuksen vaikutukset investointeihin ja yritysten markkina-arvoon ovat yritysten käyttäytymistä kuvaavien teorioiden näkökulmasta mahdollisesti hyvin suuret. Samalla ne ovat kuitenkin sikäli epäselvät, että lopputulos riippuu olennaisesti yritysten reaktioista verotuksen luomiin voitonjako- ja investointikannusteisiin. Tutkimuksessa osoitetaan, että jos rahoituspolitiikkaa muutetaan suosimaan osingonjakoa ja osakeanteja, kuten uudistuksen tarkoitus oli, pääomakustannukset alenevat ja pääomakantaa voidaan kasvattaa. Myös yritysten osakemarkkina-arvo nousee jonkin verran. Jos toisaalta yritykset pysyvät aiemmassa politiikassaan ja rahoittavat investoinnit pidätetyillä voitoilla, pääomakanta ei juuri muutu, mutta yritysten arvo ja uudistuksen aikaan osakkeita omistaneiden varallisuus maksimoituvat. Yritysten arvon nousun taustalla on osinkojen verotuksen keveneminen, joka nostaa heti osakkeiden arvoa. Kustannus tästä koituu tulevien sukupolvien maksettavaksi alhaisempien verotulojen muodossa. Toistaiseksi ei tiedetä missä määrin yritykset kumpaakin politiikkaa noudattavat pitkällä aikavälillä. Toinen keskeinen elementti verouudistuksessa oli kotitalouksien säästämisen verotuksen kiristyminen. Tämä on tutkimuksen mukaan erityisen ongelmallista, koska samaan aikaan kotitalouksien varallisuuden arvo nousi. Kun todellinen varallisuus on paljon suurempi kuin mitä on haluttua säästämiskannusteiden näkökulmasta, kulutusta lisätään voimakkaasti. Säästäminen ei silloin enää riitä investointien rahoitukseen ja kansantalous velkaantuu ulkomaille. Velkaantuminen puolestaan heikentää tulevien sukupolvien hyvinvointia velanhoitomenojen muodossa. Johtopäätös tutkimuksesta onkin, että pääomatulojen verouudistus, sillä tavoin kuin se on tässä tutkimuksessa käsitelty, toteutettiin tavalla joka pitkällä aikavälillä heikentää hyvinvointia. Lopputulos johtuu ennenkaikkea säästämisen vähenemisestä, mutta sitä heikentää edelleen se, jos yritykset eivät siirrä investointien rahoitustaan pidätetyistä voitoista enemmän osakeantien suuntaan. On korostettava sitä, että tässä tutkimuksessa tarkasteltiin verouudistusta vain veroasteiden muutosten kautta. Mukaan ei voitu ottaa niitä mahdollisesti hyvinkin suuria tehokkuusvoittoja, joita syntyi verotuksen yksinkertaistumisesta ja yhtenäistymisestä. Tutkimusvälineenä käytettiin ETLAssa rakennettua yleisen tasapainon numeerista mallia (FOG). Tutkimustulokset osoittavat muun muassa sen, että verouudistuksia suunniteltaessa on otettava huomioon huolellisemmin talouden toimijoiden reaktiot verotuksen aiheuttamiin kannusteisiin. Tutkimusvälineen kehittäminen edelleen olisi tarpeen, jotta saataisiin luotettavammin arvioitua määrällisiä vaikutuksia. Mielenkiintoisena lisätutkimuksen aiheena on verouudistuksen kanssa samaan aikaan toteutetun rahoitusmarkkinoiden vapauttamisen vaikutusten ottaminen mukaan analyysiin.

▼ In the future particle colliders, the accelerator magnets keeping the particles on their tracks are required to produce magnetic fields above 20 T. This can be achieved only by using high temperature superconductors. The technology for producing the high temperature superconducting (HTS) conductors is relatively new and only recently the number of HTS conductor manufacturers has started to increase. It was only in 2016, when a 10 kA class Roebel cable made of REBCO tapes was tested in a small study coil, Feather-M0. Followed by that, in 2017 the first Roebel cable based 5 T accelerator magnet prototype Feather-M2 was constructed and tested to examine the prospects of HTS REBCO technology in accelerator magnets. The measurement results suggested that there is still a lot to learn in modelling those magnets. This thesis begins by introducing the readers to the mathematical and physical background for understanding the research presented in the attached publications. The background is followed by the chapters reviewing and synthetizing the publications. The focus in this thesis is on the AC loss modelling and thermal stability modelling. First, AC losses and magnetic field quality are modelled in Feather-M0 using a self-implemented minimum magnetic energy variation principle based simulation tool. Then, the focus is moved on the thermal stability modelling of HTS magnets by formulating the thermal model utlized in this thesis work. Next, the thermal model is utilized for scrutinizing the behavior of Feather-M2 with an inverse problem based modelling approach. Using the Feather-M2 measurement data, the inverse problem solutions are obtained for the thermal model parameters characterizing the magnet in terms of the thermal model. Furthermore, the thermal model is utilized and an optimization problem is formulated in order to determine the maximum stable operation current of Feather-M2. Finally, an energy-extraction system (EES) design for 20 T range magnet is presented and optimized by formulating and solving an optimization problem.

▼ 

Abstract A conceptual framework was developed to assess how changes in temperature and precipitation affect sub-surface hydrology, groundwater recharge, groundwater quantity and quality. A conceptual and statistical approach was developed to predict groundwater level variations. Daily rainfall, snowmelt and evapotranspiration values were generated with a novel conceptual hydrological model developed in this study. These values were cross-correlated with observed groundwater levels to find representative time lags and significant correlations. A statistical model linking rainfall, snowmelt, evapotranspiration and groundwater level was then developed and validated. The model simulated seasonal variations in groundwater level very accurately. A sequential approach was developed to assess surface water-groundwater interactions. The simulated surface water level estimated with the WSFS model and recharge estimated with CoupModel were linked to the groundwater flow model MODFLOW. Groundwater, surface water and snow samples were collected to study the chemical composition of groundwater in an unconfined esker aquifer in Northern Finland. Concentrations of Ca2+, Cl-, NO3-N and SiO2 and electrical conductivity were determined. Water quality in the main aquifer was found to be similar to that in the perched groundwater. Solute concentrations generally decreased during and immediately after snowmelt periods, indicating the importance of snowmelt input for groundwater quality. In the perched groundwater, NO3-N concentration increased with elevated groundwater level, indicating a nitrogen source on the land surface. The Cl- concentration in groundwater decreased when the surface water level rose higher than groundwater level. According to simulation results for the A1B climate change scenario, groundwater recharge is projected to increase in winter months due to increased snowmelt and decreased soil frost depth. The spring snowmelt peak in late spring will decrease. This will reduce aquifer storage in early spring, increasing the vulnerability to summer droughts. It is projected that flow regimes between unconfined aquifers and surface water may change, affecting water quantity and possibly quality in groundwater systems.

Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin konseptuaalinen viitekehysmalli, jolla voidaan arvioida kuinka muutokset lämpötilassa ja sadannassa vaikuttavat hydrologiaan, pohjaveden muodostumiseen, pohjaveden määrään ja laatuun. Tässä työssä kehitettiin ja yhdistettiin konseptuaalinen ja tilastomatemaattinen regressiomalli, jolla voidaan simuloida pohjaveden pinnankorkeuden muutoksia. Konseptuaalisella mallilla laskettiin päivittäinen sadanta, lumen sulanta ja haihdunta. Havaitut pohjaveden pinnankorkeudet korreloitiin sadannan, lumen sulannan ja haihdunnan kanssa, jotta löydettiin merkitsevät korrelaatiot tyypillisillä viiveillä. Lopuksi tilastollinen regressiomalli, joka yhdistää sadannan, lumen sulannan, haihdunnan ja pohjaveden pinnankorkeuden, kalibroitiin ja validoitiin. Kehitetyllä mallilla onnistuttiin…

Advisors/Committee Members: Kløve, B. (Bjørn).

▼ 

Abstract This thesis considers two related problems where heat conduction is accompanied by phase transformation during the cooling of carbon steels – phenomena which are fundamental to modern thermomechanical treatment processes. In the first problem, a non-linear heat equation formulation is described which includes linkage between irreversible diffusive and diffusionless phase transformation processes and thermophysical properties. A family of numerical schemes using finite difference methods with diagonally implicit Runge-Kutta method integrators for solving this formulation is present. Sample calculations using these schemes are presented for a mild steel cooled under range of industrially relevant heat transfer conditions. These calculations illustrate the need for careful scheme design and solver selection when coupled heat conduction and microstructure evolution equations become non-linear and stiff. The second section of the thesis extends this heat conduction formulation into the realm of inverse analysis. The problem of temperature reconstruction and boundary condition estimation using temperature measurements obtained thermocouples embedded into laboratory samples undergoing phase transformation is considered. A solution method based on iterative regularization is described for solving the resulting ill-posed problem. An analysis of extremely high rate cooling experiments made on a pilot-plant descaling unit using the inverse method is presented. This analysis highlights some of the practical issues associated with embedded thermocouple temperature measurements made in this fashion.

Tiivistelmä Väitöstyössä tutkitaan kahta ongelmaa liittyen hiiliteräksen termomekaanisen käsittelyn numeeriseen mallintamiseen. Työssä tarkastellaan teräksessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa ja faasimuutoksia jäähdytyksen aikana, eli ensisijaisen tärkeitä ilmiöitä kehittynyttä teräksen valmistusta ja prosessointia ajatellen. Ensimmäisenä ongelmana tutkitaan epälineaarisen energiayhtälön muodostaminen huomioiden teräksen termofysikaaliset materiaaliominaisuudet, diffuusion kontrolloimat ja diffuusiosta riippumattomat irreversiibelit faasimuutokset. Lisäksi huomioidaan näiden väliset kytkennät. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja käytetyt menetelmät esitellään differenssimenetelmien ja diagonaalisesti implisiittisten Runge-Kutta-menetelmien osalta. Väitöstyössä näiden käyttöä havainnollistetaan simuloimalla niukkahiilisen teräksen käyttäytymistä teollisia olosuhteita vastaavan jäähdytyksen aikana. Laskentatulokset osoittavat ratkaisumenetelmän suunnittelun ja valinnan tärkeyden erityisesti silloin, kun lämmönjohtuminen, mikrorakenteen kehittyminen ja termofysikaaliset materiaaliominaisuudet muuttavat ratkaistavan ongelman epälineaariseksi ja jäykäksi. Toisena ongelmana tutkitaan edellä esitetyn lämmönsiirtomallin käyttöä osanainversioanalyysiä. Laboratoriokokeiden, termopareilla suoritettujen lämpötilamittausten, työssä kehitetyn lämmönsiirtomallin ja suoritetun inversioanalyysin avulla rekonstruoidaan teräskappaleiden…

Advisors/Committee Members: Mäntylä, P. (Pekka), Porter, D. (David).

▼ Kaukokartoituskuvien käyttö metsäninventoinnin aputietona perustuu kuvista irroitettujen sävyarvo­ ja tekstuuripiirteiden sekä maastotiedon väliseen korrelaatioon. Auringon valon suuntautuneisuudesta johtuva epäsymmetrinen heijastus (bidirektionaalinen reflektanssi) ja säteissiirtymä aiheuttavat vaihtelua ilmakuvan eri osissa sijaitsevien samanlaisten metsäkohteiden kuvapiirteisiin. Tätä vaihtelua on aikaisemmin pyritty vähentämään erilaisilla kuvan radiometrisillä korjauksilla. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin auringon suuntakulmaan pohjautuvasti muunnettujen kuvakoordinaattien käyttöä numeerisista ilmakuvista irroitetun aputiedon täydentämisessä, vaihtoehtona ilma­kuvien radiometrisille korjauksille. Lisäksi tutkittiin stereoilmakuvien päällekkäispeittoon perustuvan numeerisen monikuvatulkinnan sovellettavuutta digitoitujen ilmakuvien avulla tehtävässä metsikkö­tunnusten regressioestimoinnissa. Tutkimusalueena oli Leivonmäen valtionmaa ja aineistona viisi digitoitua ja orto-oikaistua väri-infrailmakuvaa sekä 388 koealan maastomittaustiedot vuodelta 1999. Maastokoealoista 194 oli relaskooppikoealoja ja 194 ympyräkoealoja. Selvitettäessä kuvapisteen sijainnin vaikutusta suomalaisten metsäkohteiden sävyarvo- ja tekstuuripiirteisiin digitoiduissa väri-infrailmakuvissa havaittiin selvimmät erot myötä- ja vastavalon kuvapuoliskojen välillä. Kuvapuoliskon sisällä eri sijaintilohkojen väliset erot olivat selvästi suurempia myötävalon kuvapuoliskolla kuin vastavalon kuvapuoliskolla. Ilmiön voimakkuus vaihteli metsikkö­luokittain. Eri kuvasijaintilohkoilta irroitettujen sävyarvojen erot olivat suurimmat varttuneessa ja järeässä kuusikossa ja pienimmät taimikossa sekä nuoressa koivikossa. Tekstuuripiirteiden erot olivat suurimmat kasvatusmetsissä ja pienimmät taimikossa sekä järeässä kuusikossa. Puuston kokonaistilavuuden logaritmia ja lehtipuuosuuden kulmamuunnosta selittävissä regressio­malleissa sovellettiin viittä erilaista muunnettuun kuvakoordinaatistoon perustuvaa trendipintaa epäsymmetrisen heijastuksen vaikutuksen pienentämiseksi. Puuston kokonaistilavuuden vertailumallin, jossa kuvapisteen sijaintia ei ollut millään tavalla huomioitu, testiaineistosta laskettu RMSE oli 1,268. Paras vertailluista pinnoista oli kolmannen asteen trendipinta, jonka sisältävän mallin testiaineistosta laskettu RMSE oli 1,107. Puuston lehtipuuosuuden osalta vertailumallin testiaineistosta laskettu RMSE oli 0,4292 ja paras trendipinnoista oli toisen asteen trendipinta, jonka sisältävän mallin testiaineistosta laskettu RMSE oli 0,4270. Trendipintatarkastelu on tulosten mukaan käyttökelpoinen menetelmä, mutta sitä on sovellettava metsikköluokittain ja metsikkötunnuksittain. Päällekkäispeittoon perustuvan monikuvatulkinnan käyttökelpoisuutta metsikkötunnusten regressioestimoinnissa tutkittiin laatimalla päällekkäispeittoaineistolla vertailumalleja, joissa selittäjinä oli joko myötävalon alueen kuvapiirteitä, vastavalon alueen kuvapiirteitä tai vastinpiirteitä molemmilta kuvapuoliskoilta. Trendipinnan lisääminen selittäjiin…