Studies on the Multifaceted Interaction of Atoms and an Electromagnetic Field

In this Thesis the interaction of an electromagnetic field and matter is studied from various aspects in the general framework of cold atoms. Our subjects cover a wide spectrum of phenomena ranging from semiclassical few-level models to fully quantum mechanical interaction with structured reservoirs leading to non-Markovian open quantum system dynamics. Within closed quantum systems, we propose a selective method to manipulate the motional state of atoms in a time-dependent double-well potential and interpret the method in terms of adiabatic processes. Also, we derive a simple wave-packet model, based on distributions of generalized eigenstates, explaining the finite visibility of interference in overlapping continuous-wave atom lasers. In the context of open quantum systems, we develop an unraveling of non-Markovian dynamics in terms of piecewise deterministic quantum jump processes confined in the Hilbert space of the reduced system - the non-Markovian quantum jump method. As examples, we apply it for simple 2- and 3-level systems interacting with a structured reservoir. Also, in the context of ion-cavity QED we study the entanglement generation based on collective Dicke modes in experimentally realistic conditions including photonic losses and an atomic spontaneous decay.

Rasitusten älykäs seuranta

Tässä diplomityössä käsitellään monikappalesysteeminä mallinnetun toimilaitteen tai mekaanisen systeemin kappaleissa vaikuttavien rasitusten, siirtymien ja jännitysten laskentamenetelmiä. Työhön sisällytettyjen menetelmien valinta on toteutettu 2000-luvulla virtuaalisuunnittelua käsittelevissä tiedelehdissä julkaistujen artikkelien pohjalta. Työn tarkoituksena on muodostaa kirjallisuuskatsaus uusien laskentamenetelmien ominaisuuksista ja metodiikasta, mitä voidaan tarvittaessa soveltaa virtuaalisuunnittelun tarpeisiin. Kaksi esiteltävistä menetelmistä on optimointimenetelmiä (RBDO ja ESL). Muissa menetelmissä käsitellään muun muassa venymien rekonstruointia ja hankauskitkasta komponentteihin kohdistuvia jännityksiä. Moving frame-menetelmässä sovelletaan kelluvan koordinaatiston periaatetta, yksi menetelmistä perustuu selkeästi osarakennetekniikkaan ja yhdessä kappaleiden joustokäyttäytymistä mallinnetaan muotofunktioiden avulla. Lisäksi on kolme soveltavaa esimerkkiä rasitusten seurannasta teollisuuskoneissa. Laskentamenetelmät ovat luonteeltaan ja sovelluskelpoisuudeltaan erilaisia. Optimointimenetelmät ovat parhaimmillaan rakenteiden jatkokehitystyössä, siinä missä muut menetelmät soveltuvat joko olemassa olevien rakenteiden mallintamiseen tai kokonaan uusien systeemien suunnittelutyökaluiksi. Tätä eroavuutta voidaan pitää hyvänä asiana, jotta voidaan valita parhaiten omiin tarkoituksiin soveltuva menetelmä.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Model-Based Management

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuustutkimus, joka selventää lukijalle mitä tarkoittaa käsite Model-Based Management (MBM). Työssä tarkastellaan keskeisiä suuntauksia, joihin MBM pohjautuu. Lisäksi tutkitaan miksi MBM on kehittynyt ja miten sitä voidaan hyödyntää yrityksissä. Nykyiset käytössä olevat johtamismallit ovat aikaansa jäljessä, eivätkä ne hyödynnä nykyteknologian luomia mahdollisuuksia. Teknologian kehityksen myötä tiedonsaanti on helpottunut ja monipuolistunut. Globalisaation seurauksena organisaatioiden toimintaympäristöt ovat monimutkaistuneet ja organisaatioiden rakenteet ovat muuttuneet. Tiedonsaannin helppous yhdistettynä yritysten monimutkaisiin rakenteisiin aiheuttaa ongelmia yrityksen johtamisen ja hallinnan kannalta. Johtajat eivät kykene ymmärtämään kokonaisuuksia, joiden kanssa he ovat tekemisissä. Kokonaisuuksien ymmärtämisessä hyödynnetään systeemiajattelua ja mallintamista. Malleja on käytetty yrityksissä jo pitkään johtamisen apuna. MBM pohjautuu siihen, että mallit ovat johtamisen lähtökohta. Mallit auttavat ymmärtämään kokonaisuuksia ja hahmottamaan eri tekijöiden yhteyksiä toisiinsa. MBM:n näkökulmasta organisaation rakenteiden mallintaminen on elintärkeää sen toimintakyvyn kannalta.

Korkeapainevesisumusuuttimen virtaustekninen laadunhallinta

Tämä työ vastaa tarpeeseen hallita korkeapainevesisumusuuttimen laatua virtausmekaniikan työkalujen avulla. Työssä tutkitaan suutinten testidatan lisäksi virtauksen käyttäytymistä suuttimen sisällä CFD-laskennan avulla. Virtausmallinnus tehdään Navier-Stokes –pohjaisella laskentamenetelmällä. Työn teoriaosassa käsitellään virtaustekniikkaa ja sen kehitystä yleisesti. Lisäksi esitetään suuttimen laskennassa käytettävää perusteoriaa sekä teknisiä ratkaisuja. Teoriaosassa käydään myös läpi laskennalliseen virtausmekaniikkaan (CFD-laskenta) liittyvää perusteoriaa. Tutkimusosiossa esitetään käsitellyt suutintestitulokset sekä mallinnetaan suutinvirtausta ajasta riippumattomaan virtauslaskentaan perustuvalla laskentamenetelmällä. Virtauslaskennassa käytetään OpenFOAM-laskentaohjelmiston SIMPLE-virtausratkaisijaa sekä k-omega SST –turbulenssimallia. Tehtiin virtausmallinnus kaikilla paineilla, joita suuttimen testauksessa myös todellisuudessa käytetään. Lisäksi selvitettiin mahdolliset kavitaatiokohdat suuttimessa ja suunniteltiin kavitaatiota ehkäisevä suutingeometria. Todettiin myös lämpötilan ja epäpuhtauksien vaikuttavan kavitaatioon sekä mallinnettiin lämpötilan vaikutusta. Luotiin malli, jolla suuttimen suunnitteluun liittyviin haasteisiin voidaan vastata numeerisella laskennalla.

Improving Cost-Efficiency and Reducing Environmental Impacts of Intermodal Transportation with Dry Port Concept – Major Rail Transport Corridor in Baltic Sea Region

Transportation plays a major role in the gross domestic product of various nations. There are, however, many obstacles hindering the transportation sector. Cost-efficiency along with proper delivery times, high frequency and reliability are not a straightforward task. Furthermore, environmental friendliness has increased the importance of the whole transportation sector. This development will change roles inside the transportation sector. Even now, but especially in the future, decisions regarding the transportation sector will be partly based on emission levels and other externalities originating from transportation in addition to pure transportation costs. There are different factors, which could have an impact on the transportation sector. IMO’s sulphur regulation is estimated to increase the costs of short sea shipping in the Baltic Sea. Price development of energy could change the roles of different transport modes. Higher awareness of the environmental impacts originating from transportation could also have an impact on the price level of more polluting transport modes. According to earlier research, increased inland transportation, modal shift and slowsteaming can be possible results of these changes in the transportation sector. Possible changes in the transportation sector and ways to settle potential obstacles are studied in this dissertation. Furthermore, means to improve cost-efficiency and to decrease environmental impacts originating from transportation are researched. Hypothetical Finnish dry port network and Rail Baltica transport corridor are studied in this dissertation. Benefits and disadvantages are studied with different methodologies. These include gravitational models, which were optimized with linear integer programming, discrete-event and system dynamics simulation, an interview study and a case study. Geographical focus is on the Baltic Sea Region, but the results can be adapted to other geographical locations with discretion. Results indicate that the dry port concept has benefits, but optimization regarding the location and the amount of dry ports plays an important role. In addition, the utilization of dry ports for freight transportation should be carefully operated, since only a certain amount of total freight volume can be cost-efficiently transported through dry ports. If dry ports are created and located without proper planning, they could actually increase transportation costs and delivery times of the whole transportation system. With an optimized dry port network, transportation costs can be lowered in Finland with three to five dry ports. Environmental impacts can be lowered with up to nine dry ports. If more dry ports are added to the system, the benefits become very minor, i.e. payback time of investments becomes extremely long. Furthermore, dry port network could support major transport corridors such as Rail Baltica. Based on an analysis of statistics and interview study, there could be enough freight volume available for Rail Baltica, especially, if North-West Russia is part of the Northern end of the corridor. Transit traffic to and from Russia (especially through the Baltic States) plays a large role. It could be possible to increase transit traffic through Finland by connecting the potential Finnish dry port network and the studied transport corridor. Additionally, sulphur emission regulation is assumed to increase the attractiveness of Rail Baltica in the year 2015. Part of the transit traffic could be rerouted along Rail Baltica instead of the Baltic Sea, since the price level of sea transport could increase due to the sulphur regulation. Both, the hypothetical Finnish dry port network and Rail Baltica transport corridor could benefit each other. The dry port network could gain more market share from Russia, but also from Central Europe, which is the other end of Rail Baltica. In addition, further Eastern countries could also be connected to achieve higher potential freight volume by rail.

Real-time simulation of multibody systems with applications for working mobile vehicles

This dissertation describes an approach for developing a real-time simulation for working mobile vehicles based on multibody modeling. The use of multibody modeling allows comprehensive description of the constrained motion of the mechanical systems involved and permits real-time solving of the equations of motion. By carefully selecting the multibody formulation method to be used, it is possible to increase the accuracy of the multibody model while at the same time solving equations of motion in real-time. In this study, a multibody procedure based on semi-recursive and augmented Lagrangian methods for real-time dynamic simulation application is studied in detail. In the semirecursive approach, a velocity transformation matrix is introduced to describe the dependent coordinates into relative (joint) coordinates, which reduces the size of the generalized coordinates. The augmented Lagrangian method is based on usage of global coordinates and, in that method, constraints are accounted using an iterative process. A multibody system can be modelled as either rigid or flexible bodies. When using flexible bodies, the system can be described using a floating frame of reference formulation. In this method, the deformation mode needed can be obtained from the finite element model. As the finite element model typically involves large number of degrees of freedom, reduced number of deformation modes can be obtained by employing model order reduction method such as Guyan reduction, Craig-Bampton method and Krylov subspace as shown in this study The constrained motion of the working mobile vehicles is actuated by the force from the hydraulic actuator. In this study, the hydraulic system is modeled using lumped fluid theory, in which the hydraulic circuit is divided into volumes. In this approach, the pressure wave propagation in the hoses and pipes is neglected. The contact modeling is divided into two stages: contact detection and contact response. Contact detection determines when and where the contact occurs, and contact response provides the force acting at the collision point. The friction between tire and ground is modelled using the LuGre friction model, which describes the frictional force between two surfaces. Typically, the equations of motion are solved in the full matrices format, where the sparsity of the matrices is not considered. Increasing the number of bodies and constraint equations leads to the system matrices becoming large and sparse in structure. To increase the computational efficiency, a technique for solution of sparse matrices is proposed in this dissertation and its implementation demonstrated. To assess the computing efficiency, augmented Lagrangian and semi-recursive methods are implemented employing a sparse matrix technique. From the numerical example, the results show that the proposed approach is applicable and produced appropriate results within the real-time period.

Public-private partnership investments in dry ports – Russian logistics markets and risks

The investments have always been considered as an essential backbone and so-called ‘locomotive’ for the competitive economies. However, in various countries, the state has been put under tight budget constraints for the investments in capital intensive projects. In response to this situation, the cooperation between public and private sector has grown based on public-private mechanism. The promotion of favorable arrangement for collaboration between public and private sectors for the provision of policies, services, and infrastructure in Russia can help to address the problems of dry ports development that neither municipalities nor the private sector can solve alone. Especially, the stimulation of public-private collaboration is significant under the exposure to externalities that affect the magnitude of the risks during all phases of project realization. In these circumstances, the risk in the projects also is becoming increasingly a part of joint research and risk management practice, which is viewed as a key approach, aiming to take active actions on existing global and specific factors of uncertainties. Meanwhile, a relatively little progress has been made on the inclusion of the resilience aspects into the planning process of a dry ports construction that would instruct the capacity planner, on how to mitigate the occurrence of disruptions that may lead to million dollars of losses due to the deviation of the future cash flows from the expected financial flows on the project. The current experience shows that the existing methodological base is developed fragmentary within separate steps of supply chain risk management (SCRM) processes: risk identification, risk evaluation, risk mitigation, risk monitoring and control phases. The lack of the systematic approach hinders the solution of the problem of risk management processes of dry port implementation. Therefore, management of various risks during the investments phases of dry port projects still presents a considerable challenge from the practical and theoretical points of view. In this regard, the given research became a logical continuation of fundamental research, existing in the financial models and theories (e.g., capital asset pricing model and real option theory), as well as provided a complementation for the portfolio theory. The goal of the current study is in the design of methods and models for the facilitation of dry port implementation through the mechanism of public-private partnership on the national market that implies the necessity to mitigate, first and foremost, the shortage of the investments and consequences of risks. The problem of the research was formulated on the ground of the identified contradictions. They rose as a continuation of the trade-off between the opportunities that the investors can gain from the development of terminal business in Russia (i.e. dry port implementation) and risks. As a rule, the higher the investment risk, the greater should be their expected return. However, investors have a different tolerance for the risks. That is why it would be advisable to find an optimum investment. In the given study, the optimum relates to the search for the efficient portfolio, which can provide satisfaction to the investor, depending on its degree of risk aversion. There are many theories and methods in finance, concerning investment choices. Nevertheless, the appropriateness and effectiveness of particular methods should be considered with the allowance of the specifics of the investment projects. For example, the investments in dry ports imply not only the lump sum of financial inflows, but also the long-term payback periods. As a result, capital intensity and longevity of their construction determine the necessity from investors to ensure the return on investment (profitability), along with the rapid return on investment (liquidity), without precluding the fact that the stochastic nature of the project environment is hardly described by the formula-based approach. The current theoretical base for the economic appraisals of the dry port projects more often perceives net present value (NPV) as a technique superior to other decision-making criteria. For example, the portfolio theory, which considers different risk preference of an investor and structures of utility, defines net present value as a better criterion of project appraisal than discounted payback period (DPP). Meanwhile, in business practice, the DPP is more popular. Knowing that the NPV is based on the assumptions of certainty of project life, it cannot be an accurate appraisal approach alone to determine whether or not the project should be accepted for the approval in the environment that is not without of uncertainties. In order to reflect the period or the project’s useful life that is exposed to risks due to changes in political, operational, and financial factors, the second capital budgeting criterion – discounted payback period is profoundly important, particularly for the Russian environment. Those statements represent contradictions that exist in the theory and practice of the applied science. Therefore, it would be desirable to relax the assumptions of portfolio theory and regard DPP as not fewer relevant appraisal approach for the assessment of the investment and risk measure. At the same time, the rationality of the use of both project performance criteria depends on the methods and models, with the help of which these appraisal approaches are calculated in feasibility studies. The deterministic methods cannot ensure the required precision of the results, while the stochastic models guarantee the sufficient level of the accuracy and reliability of the obtained results, providing that the risks are properly identified, evaluated, and mitigated. Otherwise, the project performance indicators may not be confirmed during the phase of project realization. For instance, the economic and political instability can result in the undoing of hard-earned gains, leading to the need for the attraction of the additional finances for the project. The sources of the alternative investments, as well as supportive mitigation strategies, can be studied during the initial phases of project development. During this period, the effectiveness of the investments undertakings can also be improved by the inclusion of the various investors, e.g. Russian Railways’ enterprises and other private companies in the dry port projects. However, the evaluation of the effectiveness of the participation of different investors in the project lack the methods and models that would permit doing the particular feasibility study, foreseeing the quantitative characteristics of risks and their mitigation strategies, which can meet the tolerance of the investors to the risks. For this reason, the research proposes a combination of Monte Carlo method, discounted cash flow technique, the theory of real options, and portfolio theory via a system dynamics simulation approach. The use of this methodology allows for comprehensive risk management process of dry port development to cover all aspects of risk identification, risk evaluation, risk mitigation, risk monitoring, and control phases. A designed system dynamics model can be recommended for the decision-makers on the dry port projects that are financed via a public-private partnership. It permits investors to make a decision appraisal based on random variables of net present value and discounted payback period, depending on different risks factors, e.g. revenue risks, land acquisition risks, traffic volume risks, construction hazards, and political risks. In this case, the statistical mean is used for the explication of the expected value of the DPP and NPV; the standard deviation is proposed as a characteristic of risks, while the elasticity coefficient is applied for rating of risks. Additionally, the risk of failure of project investments and guaranteed recoupment of capital investment can be considered with the help of the model. On the whole, the application of these modern methods of simulation creates preconditions for the controlling of the process of dry port development, i.e. making managerial changes and identifying the most stable parameters that contribute to the optimal alternative scenarios of the project realization in the uncertain environment. System dynamics model allows analyzing the interactions in the most complex mechanism of risk management process of the dry ports development and making proposals for the improvement of the effectiveness of the investments via an estimation of different risk management strategies. For the comparison and ranking of these alternatives in their order of preference to the investor, the proposed indicators of the efficiency of the investments, concerning the NPV, DPP, and coefficient of variation, can be used. Thus, rational investors, who averse to taking increased risks unless they are compensated by the commensurate increase in the expected utility of a risky prospect of dry port development, can be guided by the deduced marginal utility of investments. It is computed on the ground of the results from the system dynamics model. In conclusion, the outlined theoretical and practical implications for the management of risks, which are the key characteristics of public-private partnerships, can help analysts and planning managers in budget decision-making, substantially alleviating the effect from various risks and avoiding unnecessary cost overruns in dry port projects.

Innovation Process Management and System Modelling

Työn tavoitteena oli perehtyä innovaatiojohtamisen ja järjestelmän soveltamiseen prosessiteollisuuden toimintaympäristöön. Kirjallisuuslähteitä apuna käyttäen perehdyttiin liiketoimintaympäristön innovaatiojohtamiselle asettamiin vaatimuksiin ja erilaisiin innovaatiojärjestelmiin. Olennaisena osana innovaatiojohtamiseen liittyy sidosryhmien tarpeiden ja niiden tarjoamien resurssien huomioiminen toiminnassa. Myöskin tuotekehityksen menetelmät ja työkalut ovat omalta osaltaan merkittävässä asemassa toiminnan tehokkuutta arvioitaessa. Innovaatiojärjestelmä tulee sopeuttaa yrityksen toimintoihin ja sen erityispiirteet huomioonottaen siten, että toiminnan johtaminen prosessina tuo yritykselle ja sen sidosryhmille lisäarvoa. Innovaatiojärjestelmän luominen yritykselle on ainayksilöllinen prosessi ja siihen ei ole olemassa yleispätevää menetelmää, joka voitaisiin ottaa käyttöön sellaisenaan. Yritys, jonka liiketoiminta keskittyy kuitupohjaisten pakkausmateriaalien valmistamiseen, joutuu täyttämään toiminnassaan materiaalintoimittajien, omien tuotantoprosessiensa ja asiakkaiden sekä jopa loppukäyttäjien uusille tuotteille luomat odotukset. Innovaatiojohtamista sävyttää toiminnan tulosten suuri epävarmuus ja sen vaativien aineellisten ja henkisten resurssien mittavuus. Innovaatiotoiminnan johtaminen prosessina, käyttäen hyväksi järjestelmämallia, tavoittelee systemaattista ja asetettujen kriteerien täyttämää lähestymistapaa tuotekehityksen ja uusien liiketoimintainnovaatioiden alueella. Kehitetyn mallin tulee palvella monimutkaista liiketoimintaympäristöä, jokatoisaalta perustuu tehokkaaseen massatuotantoon ja toisaalta pyrkii erilaistumaan palvelemalla sekä huomioimalla asiakkaidensa tuotteille asettamat vaatimukset.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.