Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.

Wavelet Filter Parameterization for Compression of Spectral Images

Vaatimus kuvatiedon tiivistämisestä on tullut entistä ilmeisemmäksi viimeisen kymmenen vuoden aikana kuvatietoon perustuvien sovellutusten myötä. Nykyisin kiinnitetään erityistä huomiota spektrikuviin, joiden tallettaminen ja siirto vaativat runsaasti levytilaa ja kaistaa. Aallokemuunnos on osoittautunut hyväksi ratkaisuksi häviöllisessä tiedontiivistämisessä. Sen toteutus alikaistakoodauksessa perustuu aallokesuodattimiin ja ongelmana on sopivan aallokesuodattimen valinta erilaisille tiivistettäville kuville. Tässä työssä esitetään katsaus tiivistysmenetelmiin, jotka perustuvat aallokemuunnokseen. Ortogonaalisten suodattimien määritys parametrisoimalla on työn painopisteenä. Työssä todetaan myös kahden erilaisen lähestymistavan samanlaisuus algebrallisten yhtälöiden avulla. Kokeellinen osa sisältää joukon testejä, joilla perustellaan parametrisoinnin tarvetta. Erilaisille kuville tarvitaan erilaisia suodattimia sekä erilaiset tiivistyskertoimet saavutetaan eri suodattimilla. Lopuksi toteutetaan spektrikuvien tiivistys aallokemuunnoksen avulla.

Order-flow Standardization with Product Data Management Ideology

Tämän diplomityön päämääränä oli kuvata tilaus-toimitusprosessin eri toimintojen työnkulku, kun tuotetiedonhallintajärjestelmä on osa työympäristöä. Työn teoreettisessa osassa tarkasteltiin liiketoimintaprosessien uudistamista ja prosessien määrittämistä sekä esiteltiin tuotetiedonhallinnan (PDM) keskeiset osa-alueet. Kohdeyrityksen tausta ja strategiat esiteltiin, minkä jälkeen muutoksia arvioitiin suhteessa teoriaosuuden tuloksiin. Nykyisten toimintatapojen määrittämistä varten haastateltiin henkilöitä jokaisesta tilaus-toimitusprosessin vaiheesta tuotantoyksikön sisällä. Lopuksi kuvattiin yrityksen tuotetiedonhallintaperiaatteet ja määritettiin työnkulku prosessin eri vaiheissa. Samalla kuin uusi tuotetiedonhallintajärjestelmä otetaan käyttöön, on yrityksessä omaksuttava tuotetiedonhallinnan ajatusmalli. Tuoterakenteen hallinta jakautuu nyt eri toimintojen kesken, jolloin suunnittelun rakenne, tuotannon rakenne ja huoltorakenne ovat eri ihmisten vastuulla. Näiden eri rakenteiden konfigurointi tilaus-toimitus prosessin aikana määrää missä järjestyksessä toiminnot on suoritettava eri järjestelmien välillä. Monikansallinen suunnitteluorganisaatio on myös otettava huomioon tilauksenkulun aikana. Tuotetiedonhallintajärjestelmää käytetään yhdessä tuttujen suunnitteluohjelmien sekä toiminnanohjausjärjestelmän (ERP) kanssa. Työnkulkukaaviossa määritellään koko yritystä koskeva malli siitä, miten ja missä järjestyksessä tehtävät on suoritettava eri järjestelmissä tilaus-toimitus prosessin aikana. Tässä työssä tutkittiin tuotteen määrittelyn ja suunnittelutiedon hallinnan kannalta oleellisimmat tilaus-toimitusprosessiin kuuluvat toiminnot; myynti, myynnin tuki, tuotannon ohjaus, sovellussuunnittelu ja dokumentointi. Tulevaisuudessa on suositeltavaa pohtia tuotetiedonhallintajärjestelmän käyttöönottoa myös tuotannossa ja ostoissa. Tilaus-toimitusprosessiin liittyvät kehitysmahdollisuudet kannattaisi seuraavaksi kohdistaa tilauksen määrittelyvaiheeseen myyjä-asiakas rajapinnassa, jossa tehdyt virheet kertautuvat jokaisessa prosessin vaiheessa.

Spectral Analysis of Buffers in Communication Systems

Muokatun matriisi-geometrian tekniikan kehitys yleimmäksi jonoksi on esitelty tässä työssä. Jonotus systeemi koostuu useista jonoista joilla on rajatut kapasiteetit. Tässä työssä on myös tutkittu PH-tyypin jakautumista kun ne jaetaan. Rakenne joka vastaa lopullista Markovin ketjua jossa on itsenäisiä matriiseja joilla on QBD rakenne. Myös eräitä rajallisia olotiloja on käsitelty tässä työssä. Sen esitteleminen matriisi-geometrisessä muodossa, muokkaamalla matriisi-geometristä ratkaisua on tämän opinnäytetyön tulos.

Stock flow through a drum screen

Tässä diplomityössä haluttiin mallintaa kuidutusrummun toimintaa Fluent virtausmallinusohjelman avulla. Aikaisempi tieto ja kehitystyö on perustunut kokemukseen ja käytännön kokeisiin. Kehitystyön alkuaikoina on suoritettu muutamia laskelmia koskien rummun tuottoa mutta sen jälkeen ei toimintaa ole laskennallisesti kuvattu. Työn ensimmäinen osa käsittelee yleisesti keräyspaperin käsittelyyn liittyviä laitteita ja menetelmiä. Toimintaperiaatteita on kuvattu yleisellä tasolla ja FibreFlow® rumpu on sitten käsitelty muita laitteita tarkemmin. Työn toinen osa sisältää sitten laboratoriotestit paikallisilta tahteilta hankittujen näytteiden viskositeettien ja tiheyksien määrittämiseksi. Kokeet suoritettiin Kemiantekniikan osastolla Brookfield viskoosimetrillä. Joitain alustavia laskentoja tuotosta suoritettiin aikaisempien tietojen perusteella. Rumpua kun on valmistettu vuodesta 1976, on tietoa kertynyt runsaasti vuosien mittaan. Laskelmia varten valittiin mallinnettavaksi alueeksi vain yksittäinen reikä sihdistä jolle laskettiin massavirta. Käytetyt laadut olivat OCC ja DIP. Myös eri rumpukoot otettiin jossain määrin huomioon.

Statistical Analysis of Spectral Images

Tämä diplomityö liittyy Spektrikuvien tutkimiseen tilastollisen kuvamallin näkökulmasta. Diplomityön ensimmäisessä osassa tarkastellaan tilastollisten parametrien jakaumien vaikutusta väreihin ja korostumiin erilaisissa valaistusolosuhteissa. Havaittiin, että tilastollisten parametrien väliset suhteet eivät riipu valaistusolosuhteista, mutta riippuvat kuvan häiriöttömyydestä. Ilmeni myös, että korkea huipukkuus saattaa aiheutua värikylläisyydestä. Lisäksi työssä kehitettiin tilastolliseen spektrimalliin perustuvaa tekstuurinyhdistämisalgoritmia. Sillä saavutettiin hyviä tuloksia, kun tilastollisten parametrien väliset riippuvuussuhteet olivat voimassa. Työn toisessa osassa erilaisia spektrikuvia tutkittiin käyttäen itsenäistä komponenttien analyysia (ICA). Seuraavia itsenäiseen komponenttien analyysiin tarkoitettuja algoritmia tarkasteltiin: JADE, kiinteän pisteen ICA ja momenttikeskeinen ICA. Tutkimuksissa painotettiin erottelun laatua. Paras erottelu saavutettiin JADE- algoritmilla, joskin erot muiden algoritmien välillä eivät olleet merkittäviä. Algoritmi jakoi kuvan kahteen itsenäiseen, joko korostuneeseen ja korostumattomaan tai kromaattiseen ja akromaattiseen, komponenttiin. Lopuksi pohditaan huipukkuuden suhdetta kuvan ominaisuuksiin, kuten korostuneisuuteen ja värikylläisyyteen. Työn viimeisessä osassa ehdotetaan mahdollisia jatkotutkimuskohteita.

Spectral Color Appearance Modeling

Kuvien laatu on tutkituimpia ja käytetyimpiä aiheita. Tässä työssä tarkastellaan värin laatu ja spektrikuvia. Työssä annetaan yleiskuva olemassa olevista pakattujen ja erillisten kuvien laadunarviointimenetelmistä painottaen näiden menetelmien soveltaminen spektrikuviin. Tässä työssä esitellään spektriväriulkomuotomalli värikuvien laadunarvioinnille. Malli sovelletaan spektrikuvista jäljennettyihin värikuviin. Malli pohjautuu sekä tilastolliseen spektrikuvamalliin, joka muodostaa yhteyden spektrikuvien ja valokuvien parametrien välille, että kuvan yleiseen ulkomuotoon. Värikuvien tilastollisten spektriparametrien ja fyysisten parametrien välinen yhteys on varmennettu tietokone-pohjaisella kuvamallinnuksella. Mallin ominaisuuksien pohjalta on kehitetty koekäyttöön tarkoitettu menetelmä värikuvien laadunarvioinnille. On kehitetty asiantuntija-pohjainen kyselymenetelmä ja sumea päättelyjärjestelmä värikuvien laadunarvioinnille. Tutkimus osoittaa, että spektri-väri –yhteys ja sumea päättelyjärjestelmä soveltuvat tehokkaasti värikuvien laadunarviointiin.

Optimizing nozzle flow in laser cutting

The purpose of this study was to investigate different laser cutting nozzles, nozzle flows and possibilities to improve nozzle flow. Another goal was to design new nozzle configuration in which laser cutting would succeed with better cutting speed and smaller gas consumption. Nozzles and nozzle flows were studied with various methods. Computational fluid dynamics was used to calculate old, convergent nozzles and new convergent-divergent nozzles. Measurement apparatus was used to measure both nozzle types. In cutting tests different materials were cut with new nozzles. With the use of design convergent-divergent nozzles 25 % better cutting speed and 33 % smaller gas consumption were achieved when cutting quality was good. Computational fluid dynamics was also discovered to be useful aid in nozzle design.

Pain-evoked alterations on gingival blood flow and gingival crevicular fluid (GCF) neuropeptide SP and collagenase-2 (MMP-8) levels

Previous studies have demonstrated that clinical pulpal pain can induce the expression of pro-inflammatory neuropeptides in the adjacent gingival crevice fluid (GCF). Vasoactive agents such as substance P (SP) are known to contribute to the inflammatory type of pain and are associated with increased blood flow. More recent animal studies have shown that application of capsaicin on alveolar mucosa provokes pain and neurogenic vasodilatation in the adjacent gingiva. Pain-associated inflammatory reactions may initiate expression of several pro- and anti-inflammatory mediators. Collagenase-2 (MMP-8) has been considered to be the major destructive protease, especially in the periodontitis-affected gingival crevice fluid (GCF). MMP-8 originates mostly from neutrophil leukocytes, the first line of defence cells that exist abundantly in GCF, especially in inflammation. With this background, we wished to clarify the spatial extensions and differences between tooth-pain stimulation and capsaicin-induced neurogenic vasodilatation in human gingiva. Experiments were carried out to study whether tooth stimulation and capsaicin stimulation of alveolar mucosa would induce changes in GCF MMP-8 levels and whether tooth stimulation would release neuropeptide SP in GCF. The experiments were carried out on healthy human volunteers. During the experiments, moderate and high intensity painful tooth stimulation was performed by a constant current tooth stimulator. Moderate tooth stimulation activates A-delta fibres, while high stimulation also activates C-fibres. Painful stimulation of the gingiva was achieved by topical application of capsaicin-moistened filter paper on the mucosal surface. Capsaicin is known to activate selectively nociceptive C-fibres of stimulated tissue. Pain-evoked vasoactive changes in gingivomucosal tissues were mapped by laser Doppler imaging (LDI), which is a sophisticated and non-invasive method for studying e.g. spatial and temporal characteristics of pain- and inflammation-evoked blood flow changes in gingivomucosal tissues. Pain-evoked release of MMP-8 in GCF samples was studied by immunofluorometric assay (IFMA) and Western immunoblotting. The SP levels in GCF were analysed by Enzyme immunoassay (EIA). During the experiments, subjective stimulus-evoked pain responses were determined by a visual analogue pain scale. Unilateral stimulation of alveolar mucosa and attached gingiva by capsaicin evoked a distinct neurogenic vasodilatation in the ipsilateral gingiva, which attenuated rapidly at the midline. Capsaicin stimulation of alveolar mucosa provoked clear inflammatory reactions. In contrast to capsaicin stimuli, tooth stimulation produced symmetrical vasodilatations bilaterally in the gingiva. The ipsilateral responses were significantly smaller during tooth stimulation than during capsaicin stimuli. The current finding – that tooth stimulation evokes bilateral vasodilatation while capsaicin stimulation of the gingiva mainly produces unilateral vasodilatation – emphasises the usefulness of LDI in clarifying spatial features of neurogenic vasoactive changes in the intra-oral tissues. Capsaicin stimulation of the alveolar mucosa induced significant elevations in MMP-8 levels and activation in GCF of the adjacent teeth. During the experiments, no marked changes occurred in MMP-8 levels in the GCF of distantly located teeth. Painful stimulation of the upper incisor provoked elevations in GCF MMP-8 and SP levels of the stimulated tooth. The GCF MMP-8 and SP levels of the non-stimulated teeth were not changed. These results suggest that capsaicin-induced inflammatory reactions in gingivomucosal tissues do not cross the midline in the anterior maxilla. The enhanced reaction found during stimulation of alveolar mucosa indicates that alveolar mucosa is more sensitive to chemical irritants than the attached gingiva. Analysis of these data suggests that capsaicin-evoked neurogenic inflammation in the gingiva can trigger the expression and activation of MMP-8 in GCF of the adjacent teeth. In this study, it is concluded that experimental tooth pain at C-fibre intensity can induce local elevations in MMP-8 and SP levels in GCF. Depending on the role of MMP-8 in inflammation, in addition to surrogated tissue destruction, the elevated MMP-8 in GCF may also reflect accelerated local defensive and anti-inflammatory reactions.

Calculations of Boiling Two-Phase Flow Using a Porous Media Model

Boiling two-phase flow and the equations governing the motion of fluid in two-phase flows are discussed in this thesis. Disposition of the governing equations in three-dimensional complex geometries is considered from the perspective of the porous medium concept. The equations governing motion in two-phase flows were formulated, discretized and implemented in a subroutine for pressure-velocity solution utilizing the SIMPLE algorithm modified for two-phase flow. The subroutine was included in PORFLO, which is a three-dimensional 5-equation porous media model developed at VTT by Jaakko Miettinen. The development of two-phase flow and the resulting void fraction distribution was predicted in a geometry resembling a section of BWR fuel bundle in a couple of test cases using PORFLO.

Fluid flow in T-junction of pipes

The aim of this work is to study flow properties at T-junction of pipe, pressure loss suffered by the flow after passing through T-junction and to study reliability of the classical engineering formulas used to find head loss for T-junction of pipes. In this we have compared our results with CFD software packages with classical formula and made an attempt to determine accuracy of the classical formulas. In this work we have studies head loss in T-junction of pipes with various inlet velocities, head loss in T-junction of pipes when the angle of the junction is slightly different from 90 degrees and T-junction with different area of cross-section of the main pipe and branch pipe. In this work we have simulated the flow at T-junction of pipe with FLUENT and Comsol Multiphysics and observed flow properties inside the T-junction and studied the head loss suffered by fluid flow after passing through the junction. We have also compared pressure (head) losses obtained by classical formulas by A. Vazsonyi and Andrew Gardel and formulas obtained by assuming T-junction as combination of other pipe components and observations obtained from software experiments. One of the purposes of this study is also to study change in pressure loss with change in angle of T-junction. Using software we can have better view of flow inside the junction and study turbulence, kinetic energy, pressure loss etc. Such simulations save a lot of time and can be performed without actually doing the experiment. There were no real life experiments made, the results obtained completely rely on accuracy of software and numerical methods used.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

CFD simulation of complex phenomena containing suspensions and flow throughporous media

There is an increasing reliance on computers to solve complex engineering problems. This is because computers, in addition to supporting the development and implementation of adequate and clear models, can especially minimize the financial support required. The ability of computers to perform complex calculations at high speed has enabled the creation of highly complex systems to model real-world phenomena. The complexity of the fluid dynamics problem makes it difficult or impossible to solve equations of an object in a flow exactly. Approximate solutions can be obtained by construction and measurement of prototypes placed in a flow, or by use of a numerical simulation. Since usage of prototypes can be prohibitively time-consuming and expensive, many have turned to simulations to provide insight during the engineering process. In this case the simulation setup and parameters can be altered much more easily than one could with a real-world experiment. The objective of this research work is to develop numerical models for different suspensions (fiber suspensions, blood flow through microvessels and branching geometries, and magnetic fluids), and also fluid flow through porous media. The models will have merit as a scientific tool and will also have practical application in industries. Most of the numerical simulations were done by the commercial software, Fluent, and user defined functions were added to apply a multiscale method and magnetic field. The results from simulation of fiber suspension can elucidate the physics behind the break up of a fiber floc, opening the possibility for developing a meaningful numerical model of the fiber flow. The simulation of blood movement from an arteriole through a venule via a capillary showed that the model based on VOF can successfully predict the deformation and flow of RBCs in an arteriole. Furthermore, the result corresponds to the experimental observation illustrates that the RBC is deformed during the movement. The concluding remarks presented, provide a correct methodology and a mathematical and numerical framework for the simulation of blood flows in branching. Analysis of ferrofluids simulations indicate that the magnetic Soret effect can be even higher than the conventional one and its strength depends on the strength of magnetic field, confirmed experimentally by Völker and Odenbach. It was also shown that when a magnetic field is perpendicular to the temperature gradient, there will be additional increase in the heat transfer compared to the cases where the magnetic field is parallel to the temperature gradient. In addition, the statistical evaluation (Taguchi technique) on magnetic fluids showed that the temperature and initial concentration of the magnetic phase exert the maximum and minimum contribution to the thermodiffusion, respectively. In the simulation of flow through porous media, dimensionless pressure drop was studied at different Reynolds numbers, based on pore permeability and interstitial fluid velocity. The obtained results agreed well with the correlation of Macdonald et al. (1979) for the range of actual flow Reynolds studied. Furthermore, calculated results for the dispersion coefficients in the cylinder geometry were found to be in agreement with those of Seymour and Callaghan.