Pellettien laatu ja ominaisuudet eri raaka-aineilla ja niiden seoksilla

Diplomityö tehtiin osana Vapon toteuttamaa monivuotista pelletin kehitysohjelmaa. Kehitysohjelma koostuu useista pienemmistä osaprojekteista, jotka täydentävät toinen toisiaan. Pellettien raaka-ainepohjan laajentaminen on eräs näistä osaprojekteista. Tutkimustyön tavoitteena oli selvittää erilaisten potentiaalisten bioraaka-aineiden soveltuvuutta pelletointiin joko sellaisenaan tai erilaisina seoksina. Raaka-aineiden pelletoitavuutta tutkittiin kenttäolosuhteissa mobiilipelletointilaitoksella. Laitoksen pääkomponentit muodostivat Kahl C 38–780 tasomatriisipuristin, jäähdytin ja täryseula. Pelletointikokeissa tutkittuja raaka-aineita olivat mäntysahanpuru, männynkuori, harvennusranka, haapa, koivu, jyrsinturve ja ruokohelpi. Raaka-aineiden irtotiheys käyttökosteudessa vaihteli välillä 73–244 kg/m3 ja keskimääräinen kosteuspitoisuus 6,5–15 %. Useissa tapauksissa säkitettyjä raaka-aineita säkkikostutettiin haluttuun kosteuspitoisuuteen ennen pelletointia. Säkkikostutettujen raaka-aineiden kosteuspitoisuudet vaihtelivat tällöin välillä 12–14 m- %. Valtaosa tutkituista raaka-aineista ja niiden seoksista pystyttiin pelletoimaan puristimen matriisilla 8/40 mm, jossa puristuskanavan halkaisija oli 8 mm ja kanavan suoran osan pituus 40 mm. Vaikeuksia tuotti ainoastaan pelkän koivupurun ja ruokohelven pelletointi. Käytetty matriisi oli kanavapituudeltaan liian pitkä koivupurun pelletointiin nostaen puristusvastuksen suureksi. Ruokohelven pelletoinnin vaikeudet johtuivat pääasiassa pelletointiin liian karkeasta raaka-aineesta. Myös matriisia 8/55 mm kokeiltiin, mutta se osoittautui liian ”tiukaksi” valtaosalle puuraaka-aineista. Ainoastaan jyrsinturpeen pelletointi onnistui tällä matriisilla. Männynkuoren pelletointia ei matriisilla 8/55 mm yritetty. Kenttäkokeissa valmistetuista pelleteistä määritettiin erilaisia ominaisuuksia, kuten keskipituus, kosteuspitoisuus, irtotiheys, hienoaineksen määrä ja käsittelykestävyys. Lujuus mitattiin sekä Ligno-testillä että CEN-rummutuslujuuden määrityksellä. Lisäksi pelleteille määritettiin alkuaineanalyysi, tuhkapitoisuus ja lämpöarvo ENAS Oy:n laboratoriossa Jyväskylässä. Ligno-testauksessa parhaimman luokan pelletin tulee yltää arvoon 97,5 %. Pelletoitaessa raaka-aineita ja niiden seoksia tasomatriisikoneella sopivalla matriisilla yllettiin usein näihin tai parempiin tuloksiin. Puumateriaaleilla raaka-aineen optimaalinen lähtökosteus oli välillä 12–14 m- % ja turpeella sekä ruokohelvellä 14–16 m- %. Pelletointi onnistui tällöin vaivattomasti, kunhan sopivat puristimen ajoparametrit oli löydetty. Pellettiä alkoi muodostua matriisin puristuskanavien lämpötilan kohotessa noin 70 ºC. Pellettien lämpötila stabiilitilanteessa heti pelletoinnin jälkeen oli useissa tapauksissa 80–90 ºC. Pelletoinnin aikainen tehontarve vaihteli välillä 90–150 kWh/t, ollen suurimmillaan irtotiheydeltään keveillä materiaaleilla. Raaka-aineen suuri partikkelikoko kasvatti puristimen tehontarvetta. Tämä havaittiin selvästi lisättäessä karkeaa ruokohelpisilppua eri raaka-aineiden joukkoon. Kestävyydeltään erinomaisia pellettejä saatiin, kun raaka-aineena oli jyrsinturve, harvennusranka tai mäntypuru. Varsinkin jyrsinturpeen ja harvennusrangan seoksesta valmistetut pelletit osoittautuivat erittäin kestäviksi. Myös jyrsinturpeen ja ruokohelven sekä mäntypurun ja ruokohelven seoksien pelleteille määritettiin hyviä kestävyysarvoja. Männynkuoresta valmistetut pelletit jäivät Ligno-testauksessa kestävyydeltään alle 97,5 % rajan. Pääsyynä tähän oli kuoren pelletointiin käytetyn matriisin 8/40 mm liian lyhyet puristuskanavat.

Tehdasmittausten varastointi moniulotteisella tietomallilla

Tietovarastoissa moniulotteinen tietomalli on tehokkain tapa esittää tietoa päätöksentekijöille. Sen toimivuus on hyväksi havaittu monissa eri liiketoimintaympäristöissä. Tehdasympäristöissä on tuhansia mittalaitteita, joista jokainen mittaa uniikkia valmistusprosessiin liittyvää piirrettä. Tässä työssä kehitettiin tietovarasto tehdasmittausten varastointiin käyttäen moniulotteista tietomallia. Havaittiin, että moniulotteisella mallilla tehdasmittaukset voidaan tallentaa joustavalla tavalla ja esittää käyttäjälle mielekkäässä muodossa. Moniulotteinen malli antaa myös erinomaiset keinot tiedon ryhmittelyyn ja vertailuun. Sillä ei kuitenkaan saada vastaavanlaisia hyötyjä kuin klassisissa kaupanalan tietovarastointi esimerkeissä, koska eri mittaukset ovat keskenään hyvin erilaisia. Vaikka mittaukset eivät olekaan aina vertailtavissa tai summattavissa keskenään, saadaan ne moniulotteisella mallilla tallennettua ja luokiteltua loogisesti siten, että käyttäjän on helppo löytää tarvitsemansa tieto. Lisäksi yleisesti tunnettu ja paljon käytetty tietovaraston suunnittelumalli takaa sen, että markkinoilta on saatavissa työkaluja tietovaraston käyttöön. Tietokannan toteutus tehtiin vapaasti levitettävän MySQLtiedonhallintajärjestelmän avulla. Sitä ei ole suunniteltu pääasiassa tietovarastokäyttöön, mutta halpa lisenssi ja hyvä skaalautuvuus tekevät siitä mielenkiintoisen vaihtoehdon. Sitä onkin käytetty luultua enemmän tietovarastoinnissa ja myös monien nimekkäiden organisaatioiden toimesta. Myös tässä työssä todettiin, että MySQL tarjoaa riittävät välineet tietovaraston kehittämiseen.

Nestepakkauskartongin kosteuden hallinta

Koska kartonki on hygroskooppista, sen kosteus on riippuvainen ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Liian korkea kosteus kartongissa aiheuttaa jäykkyyden alenemista, kartongin sitkeyttä, sekä pullistuneita pakkauksia kuluttajilla. Kosteusongelmia syntyy varastoinnissa, sekä kylmän rullan käsittelyn aikana lämpimissä tuotantotiloissa. Rullaa tulisi säilyttää tiiviissä paketissa, jotta se olisi suojattu ympäristön vaihtelevilta olosuhteilta. Jos pakkaus ei ole tiivis ja ympäröivä ilma pääsee kontaktiin kartongin kanssa kylmävarastoinnin aikana, nousee kartongin kosteus jo parissa vuorokaudessa yli 7 %:iin ilman lämpötilan ollessa 15 °C ja suhteellisen kosteuden 95 %. Kirjallisuusosan tavoitteena oli kartoittaa tekijät, joilla on vaikutusta kuitujen ominaisuuteen imeä itseensä kosteutta ympäröivästä ilmasta. Kokeellisessa osassa selvitettiin, oliko kartongin kosteuden nousu johtunut tasapainokosteuden nousemisesta. Painopisteenä oli tutkia kosteuden muutokset varastoinnin ja konvertoinnin sekä pakkaustuotteen käytön aikana. Simuloinnin avulla määritettiin kosteuden penetroituminen rullaan. Tutkittiin pakkausmateriaalien vesihöyrytiiveydet ja käärinnän vaikutus rullapakkauksen sisäisiin olosuhteisiin. Nestepakkauskartongin tasapainokosteus ei ollut muuttunut. Käytännön varastointikokeiden avulla havaittiin, että pinon päällimmäinen rulla altistui eniten ympäröivän ilman olosuhteiden muutoksille. Havaittiin myös kosteuseroa tämän rullan reunojen välillä. Mitä lyhyempi on varastointiaika kartongin päällystyksen jälkeen, sitä paremmin ehkäistään kosteuden noususta aiheutuvat haitat kartongissa. Maksimivarastointiaika rullille on 1,5 kuukautta, jolloin kartongin kosteus oli 6,5 % ja pinon päällimmäisessä rullassa noin 6,7 %. Pitkään varastoidusta kartongista valmistetuissa maitotölkeissä oli korkein kosteus, suurin pullistuma ja alhaisin otejäykkyys 10 päivän jälkeen täytöstä. Varastointiajan ollessa pitkä, kartongista tulee sitkeää ja venyvää, ja se sitoo enemmän kosteutta kuin mitä se on sitonut ennen varastoon tuloa. Skaivaus pienentää kosteuspenetraatiota raakakartonkiin, jolloin jäykkyys säilyy ja pullistuma pienenee pakkauksessa.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.

Thermoplastic bioactive composite – with special reference to dissolution behaviour and tissue response

Bioactive glasses are surface-active ceramic materials which support and accelerate bone growth in the body. During the healing of a bone fracture or a large bone defect, fixation is often needed. The aim of this thesis was to determine the dissolution behaviour and biocompatibility of a composite consisting of poly(ε-caprolactone-co-DL-lactide) and bioactive glass (S53P4). In addition the applicability as an injectable material straight to a bone defect was assessed. In in vitro tests the dissolution behaviour of plain copolymer and composites containing bioactive glass granules was evaluated, as well as surface reactivity and the material’s capability to form apatite in simulated body fluid (SBF). The human fibroblast proliferation was tested on materials in cell culture. In in vivo experiments, toxicological tests, material degradation and tissue reactions were tested both in subcutaneous space and in experimental bone defects. The composites containing bioactive glass formed a unified layer of apatite on their surface in SBF. The size and amount of glass granules affected the degradation of polymer matrix, as well the material’s surface reactivity. In cell culture on the test materials the human gingival fibroblasts proliferated and matured faster compared with control materials. In in vitro tests a connective tissue capsule was formed around the specimens, and became thinner in the course of time. Foreign body cell reactions in toxicological tests were mild. In experimental bone defects the specimens with a high concentration of small bioactive glass granules (<45 μm) formed a dense apatite surface layer that restricted the bone ingrowth to material. The range of large glass granules (90-315 μm) with high concentrations formed the best bonding with bone, but slow degradation on the copolymer restricted the bone growth only in the superficial layers. In these studies, the handling properties of the material proved to be good and tissue reactions were mild. The reactivity of bioactive glass was retained inside the copolymer matrix, thus enabling bone conductivity with composites. However, the copolymer was noticed to degradate too slowly compared with the bone healing. Therefore, the porosity of the material should be increased in order to improve tissue healing.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Kelirikon vaikutukset liiketoimintaan Venäjällä

Venäjän lainsäädäntö mahdollistaa erilaisten rajoitusten asettamisen liikenteelle kelirikkoajan aikana ja alhaisten painorajoitusten asettaminen on tällöin yleistä. Kelirikon aikaisiin rajoituksiin liittyvä lainsäädäntö on pääosin tarkoituksenmukainen, mutta sitä sovelletaan tavalla, jolla vaikeutetaan huomattavasti yritysten toimintaa ja tarvittavien kuljetusten järjestämistä. Diplomityössä tutkitaan kelirikon vaikutuksia liiketoimintaan erityisesti caseyksikössä, joka on metsäteollisuusyhtiön Venäjällä sijaitseva tuotantoyksikkö. Venäläinen liiketoimintaympäristö eroaa huomattavasti suomalaisesta, ja kelirikon aikana korostuvat etenkin korruption ja henkilökohtaisten suhteiden merkitys. Suuri osa havaituista sallitun painon ylityksistä hoidetaan kelirikon aikana maksamalla epävirallisia maksuja suoraan tarkastajille. Myös virallisia kulkulupia myydään, mutta niiden hankinta on kallista ja aikaa vievää. Työn lähtökohta kiteytyy lainsäädännön, viranomaisten tulkinnan ja todellisen tilanteen välisten ristiriitojen avaamiseen ja selvittämiseen, ja tavoitteena on ollut mahdollisimman objektiivisen kokonaiskuvan luominen tilanteesta. Case-yksikössä on kehitetty vaihtoehtoisia toimintamalleja kelirikkoajan kuljetusten varmistamiseksi. Rautatiekuljetusten määrää on lisätty huomattavasti ja välivarastointiterminaalin rakentamista on suunniteltu. Vaihtoehtoiset toimintamallit aiheuttavat kuitenkin huomattavia lisäkustannuksia. Tutkimuksen tuottamien tietojen avulla case-yhtiössä voidaan jatkossa arvioida todellisia riskejä sekä vaihtoehtoisten toimintamallien tarpeellisuutta ja kustannustehokkuutta aikaisempaa tarkemmin.

Tietomallintamisen aiheuttamat muutokset ja hyödyt LVI-suunnitteluprosessissa sekä määrälaskennassa

Tässä diplomityössä tarkastellaan tietomallintamista eng. BIM (Building Information Modeling) LVI-suunnittelun näkökulmasta sekä esitellään tietomallintamisen vaikutuksia ja hyötyjä suunnitteluprosessiin. Tietomallintaminen mahdollistaa esimerkiksi LVI-suunnittelijan tuottaman määräluettelon 3D-mallista, jonka seurauksena eri toimijoiden väliset rajapinnat tulevat luultavasti kokemaan muutoksia. Työssä vertaillaan käsin laskettuja ja 3D-mallista tuotettuja määräluetteloita toisiinsa. Työhön sisällytetään myös urakoitsijoiden haastatteluja, joissa pyritään selvittämään heidän näkemyksiään suunnittelijan tuottamiin määrätietoihin.

Photoinhibition of Photosystem II. Kinetics, Photoprotection and Mechanism

Photosystem II (PSII) is susceptible to light-induced damage defined as photoinhibition. In natural conditions, plants are capable of repairing the photoinhibited PSII by on-going degradation and re-synthesis of the D1 reaction centre protein of PSII. Photoinhibition is induced by both visible and ultraviolet light and photoinhibition occurs under all light intensities with the same efficiency per photon. In my thesis work, I studied the reaction kinetics and mechanism of photoinhibition of PSII, as well as photoprotection in leaves of higher plants. Action spectroscopy was used to identify photoreceptors of photoinhibition. I found that the action spectrum of photoinhibition in vivo shows resemblance to the absorption spectra of manganese model compounds of the oxygen evolving complex (OEC) suggesting a role for manganese as a photoreceptor of photoinhibition under UV and visible light. In order to study the protective effect of non-photochemical quenching, the action spectrum was measured from leaves of wild type Arabidopsis thaliana and two mutants impaired in nonphotochemical quenching of chlorophyll a excitations. The findings of action spectroscopy and simulations of chlorophyll-based photoinhibition mechanisms suggested that quenching of antenna excitations protects less efficiently than would be expected if antenna chlorophylls were the only photoreceptors of photoinhibition. The reaction kinetics of prolonged photoinhibition was studied in leaves of Cucurbita maxima and Capsicum annuum. The results indicated that photoinhibitory decrease in both the oxygen evolution activity and ratio of variable to maximum fluorescence follows firstorder kinetics in vivo. The persistence of first-order kinetics suggests that already photoinhibited reaction centres do not protect against photoinhibition and that the mechanism of photoinhibition does not have a reversible intermediate. When Cucurbita maxima leaves were photoinhibited with saturating single-turnover flashes and continuous light, the light response curve of photoinhibition was found to be essentially a straight line with both types of illumination, suggesting that similar photoinhibition mechanisms might function during illumination with continuous light and during illumination with short flashes.

Vähempiarvoisen kalan käsittelyketjut ja hiilijalanjälki

The condition of Baltic Sea has weakened considerably because of eutrophication which has caused massive increase of devalued fish. The condition of Baltic Sea can be helped by fishing these fish. This study handles three different ways to approach those fish utilizations and counts carbon footprint for those three chains. Environmental point of views are also examined. There are three different fish processing chains. Every processing chain begins with fishing the fish in Baltic Sea. After that the fishes are prepared by crushing and some formic acid is added to ensure preservation. In the first processing chain the fishes are processed as biodiesel. The waste from the biodiesel process is taken to the anaerobic digestion and the forming methane is used as energy. In the second chain the fishes are taken straight to the anaerobic digestion after preparing. In the third chain, the fish will be first prepared and then taken to fur farms as forage. The carbon footprint has been calculated for 1000 kg fish. The carbon footprint in the first chain is 164-178 kg CO2e, in the second chain 313 – 333 kg CO2e and in the third chain 363 kg CO2e. In the processing chains the bioenergy is produced from the biodiesel, anaerobic digestion and from the glycerol, which is by-product of the biodiesel. The energy produced from the biodiesel is so-called emission neutral, which is not taken into account when calculating emissions. The energy is used to compensate the emissions caused by fossil fuels. The PAS 2050 was used to calculate the carbon footprint. Only carbon dioxide and methane were used when calculating the carbon footprint.

Simulating Fluid Flow in a Compressed Valve

The objective of the work is to study fluid flow behavior through a pinch valve and to estimate the flow coefficient (KV ) at different opening positions of the valve. The flow inside a compressed valve is more complex than in a straight pipe, and it is one of main topics of interest for engineers in process industry. In the present work, we have numerically simulated compressed valve flow at different opening positions. In order to simulate the flow through pinch valve, several models of the elastomeric valve tube (pinch valve tube) at different opening positions were constructed in 2D-axisymmetric and 3D geometries. The numerical simulations were performed with the CFD packages; ANSYS FLUENT and ANSYS CFX by using parallel computing. The distributions of static pressure, velocity and turbulent kinetic energy have been studied at different opening positions of the valve in both 2D-axisymmetric and 3D experiments. The flow coefficient (KV ) values have been measured at different valve openings and are compared between 2D-axisymmetric and 3D simulation results.

Application of Computational Fluid Dynamics in Modeling Blood Flow in Human Thoracic Aorta

The aim of this study was to simulate blood flow in thoracic human aorta and understand the role of flow dynamics in the initialization and localization of atherosclerotic plaque in human thoracic aorta. The blood flow dynamics in idealized and realistic models of human thoracic aorta were numerically simulated in three idealized and two realistic thoracic aorta models. The idealized models of thoracic aorta were reconstructed with measurements available from literature, and the realistic models of thoracic aorta were constructed by image processing Computed Tomographic (CT) images. The CT images were made available by South Karelia Central Hospital in Lappeenranta. The reconstruction of thoracic aorta consisted of operations, such as contrast adjustment, image segmentations, and 3D surface rendering. Additional design operations were performed to make the aorta model compatible for the numerical method based computer code. The image processing and design operations were performed with specialized medical image processing software. Pulsatile pressure and velocity boundary conditions were deployed as inlet boundary conditions. The blood flow was assumed homogeneous and incompressible. The blood was assumed to be a Newtonian fluid. The simulations with idealized models of thoracic aorta were carried out with Finite Element Method based computer code, while the simulations with realistic models of thoracic aorta were carried out with Finite Volume Method based computer code. Simulations were carried out for four cardiac cycles. The distribution of flow, pressure and Wall Shear Stress (WSS) observed during the fourth cardiac cycle were extensively analyzed. The aim of carrying out the simulations with idealized model was to get an estimate of flow dynamics in a realistic aorta model. The motive behind the choice of three aorta models with distinct features was to understand the dependence of flow dynamics on aorta anatomy. Highly disturbed and nonuniform distribution of velocity and WSS was observed in aortic arch, near brachiocephalic, left common artery, and left subclavian artery. On the other hand, the WSS profiles at the roots of branches show significant differences with geometry variation of aorta and branches. The comparison of instantaneous WSS profiles revealed that the model with straight branching arteries had relatively lower WSS compared to that in the aorta model with curved branches. In addition to this, significant differences were observed in the spatial and temporal profiles of WSS, flow, and pressure. The study with idealized model was extended to study blood flow in thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. One of the idealized aorta models was modified along with the boundary conditions to mimic the thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. The results of simulations with realistic models extracted from CT scans demonstrated more realistic flow dynamics than that in the idealized models. During systole, the velocity in ascending aorta was skewed towards the outer wall of aortic arch. The flow develops secondary flow patterns as it moves downstream towards aortic arch. Unlike idealized models, the distribution of flow was nonplanar and heavily guided by the artery anatomy. Flow cavitation was observed in the aorta model which was imaged giving longer branches. This could not be properly observed in the model with imaging containing a shorter length for aortic branches. The flow circulation was also observed in the inner wall of the aortic arch. However, during the diastole, the flow profiles were almost flat and regular due the acceleration of flow at the inlet. The flow profiles were weakly turbulent during the flow reversal. The complex flow patterns caused a non-uniform distribution of WSS. High WSS was distributed at the junction of branches and aortic arch. Low WSS was distributed at the proximal part of the junction, while intermedium WSS was distributed in the distal part of the junction. The pulsatile nature of the inflow caused oscillating WSS at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Based on the WSS distribution in the realistic model, one of the aorta models was altered to induce artificial atherosclerotic plaque at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Atherosclerotic plaque causing 50% blockage of lumen was introduced in brachiocephalic artery, common carotid artery, left subclavian artery, and aortic arch. The aim of this part of the study was first to study the effect of stenosis on flow and WSS distribution, understand the effect of shape of atherosclerotic plaque on flow and WSS distribution, and finally to investigate the effect of lumen blockage severity on flow and WSS distributions. The results revealed that the distribution of WSS is significantly affected by plaque with mere 50% stenosis. The asymmetric shape of stenosis causes higher WSS in branching arteries than in the cases with symmetric plaque. The flow dynamics within thoracic aorta models has been extensively studied and reported here. The effects of pressure and arterial anatomy on the flow dynamic were investigated. The distribution of complex flow and WSS is correlated with the localization of atherosclerosis. With the available results we can conclude that the thoracic aorta, with complex anatomy is the most vulnerable artery for the localization and development of atherosclerosis. The flow dynamics and arterial anatomy play a role in the localization of atherosclerosis. The patient specific image based models can be used to diagnose the locations in the aorta vulnerable to the development of arterial diseases such as atherosclerosis.

Suoraa puhetta heteroseksuaalisuudesta

Kirjallisuusarvostelu

Pohjanmiehet luupin alla

Kirjallisuusarvostelu

Fatigue study of the fillet weld waving on weld toe and the penetration in the weld root based on the effective notch stress approach

The fatigue failure of structures under fluctuating loads in fillet weld joints raises a demand to determine the parameters related to this type of loading. In this study, the stress distribution in the susceptible area of weld toe and weld root in fillet welded models analyzed by finite element method applying FEMAP software. To avoid the geometrical singularity on the path of analytical stress analysis in the toe and root area of a weld model the effective notch stress approach applied by which a proper fictitious rounding that mostly depend on the material of structure is applied. The models with different weld toe waving width and radius are analyzed while the flank angle of weld varied in 45 and 30 degrees. The processed results shows that the waving compare to the straight weld toe makes differences in the value of stress and consequently the stress concentration factor between the tip and depth of the waves in the weld toe which helps to protect the crack of propagation and gives enough time and tools to be informed of the crack initiation in the structure during the periodical observation of structure. In the weld root study the analyses among the models with the welding penetration percentage from non-penetration to the full-penetration shows a slightly increase in the root area stress value which comparing with the stiffening effect of penetration conclude that the half-penetration can make an optimization between the stress increase and stiffening effect of deep penetration.