Koneinvestoinnin suunnittelu valmistavaan teollisuuteen

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutustua ohutlevyjen nykyaikaisiin koneellisiin leikkausmenetelmiin ja tutkia niiden soveltuvuutta yrityksen tarpeisiin. Kohdeyrityksessä investoinnin tarve jakautui tuottavuusinvestoinnin, korvausinvestoinnin ja strategisen investoinnin kesken. Tavoitteena oli luoda investointipolku, jonka avulla poissuljettiin menetelmät, jotka eivät soveltuneet yrityksen tuotantoon. Työn kirjallisuusosuudessa tarkastellaan teoriatietoja, jotka liittyvät yleisesti nykyaikaisiin ohutlevyjen leikkausmenetelmiin sekä investointiprojektin suunnitteluun ja toteutuksen teoriaan. Lisäksi käsitellään investointeihin liittyviä kannattavuus- ja kustannuslaskennan perusperiaatteita. Työn empiirisessä osassa selvitettiin yrityksen ohutlevyosien valmistuksen periaatteita nykytila-analyysin avulla. Tämän perusteella määritettiin nykyaikaisista markkinoilla olevista menetelmistä yritykselle soveltuvin. Tutkimuksen perusteella laserleikkaus oli menetelmistä soveltuvin. Perusinvestoinniltaan laser oli vaihtoehtoisista menetelmistä kallein, mutta se soveltui käytettävyyden, tehokkuuden, joustavuuden ja muiden ominaisuuksiensa perusteella parhaiten tuotannon tarpeisiin. Työn merkittävimmät tulokset osoittivat, että investoinnin kannattavuus riippui koneelle saatavasta käyttösuhteesta. Uusien koneiden tehokkuus lyhentäisi tuotannon läpimenoaikoja, mutta ilman riittävää kapasiteetin käyttöastetta kappaleiden omakustannusarvo nousisi. Lopputulokset ja suositukset on esitetty työn lopussa.

Ultrakevyen rahtialuksen kansiluukkujen sekä luukkujen siirto- ja varastointijärjestelmän suunnittelu hyödyntäen kevytrakennekonsepteja

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia miten rahtialuksen kansiluukut voitaisiin valmistaa mahdollisimman kevyiksi. Katettavan ruuman pinta-ala on n. 10 m x 40 m. Luukkujen suuresta jännevälistä johtuen, rakenteelta vaaditaan suurta jäykkyyttä. Erilaisina vaihtoehtoina tutkittiin vaahtomaista alumiinia, alumiinisia kennorakenteita ja polyuretaanisia sandwich-rakenteita. Työssä vertailtiin myös erilaisia geometrisia ratkaisuja, joilla kansiluukkujen jäykkyyttä pyrittiin lisäämään ja sitä kautta pääsemään pienempään materiaalin tarpeeseen. Geometriaa suunniteltaessa huomioitiin myös vaikutukset ruuman tilavuuteen ja lainsäädännön asettamat reunaehdot. Lainsäädännöstä saatiin esimerkiksi turvakaiteiden minimikorkeus, joka vaikuttaa suoraan ruuman tilavuuteen, kun aluksen korkeimmaksi kohdaksi on valittu laivan keskilinja ja tämä korkeus on annettu suunnittelun lähtötietona. Tietokoneavusteisen lujuuslaskennan avulla eri vaihtoehdoista muodostettiin elementtimallit. Malleja varioimalla ja tuloksia vertailemalla saatiin selville kevyin mahdollinen rakenne ja geometria. Malleista saatiin selville myös luukkujen tukireaktiovoimat, eli voimat, jotka luukut kohdistavat aluksen muihin rakenteisiin. Lisäksi työssä mietittiin erilaisia tapoja ruuman avaamiseen ja avaamistavan vaikutusta kansiluukkujen painoon, geometriaan ja ruuman tilavuuteen.

Multifrequency VLBI Observations of Selected Active Galactic Nuclei

In this dissertation, active galactic nuclei (AGN) are discussed, as they are seen with the high-resolution radio-astronomical technique called Very Long Baseline Interferometry (VLBI). This observational technique provides very high angular resolution (_ 10−300 = 1 milliarcsecond). VLBI observations, performed at different radio frequencies (multi-frequency VLBI), allow to penetrate deep into the core of an AGN to reveal an otherwise obscured inner part of the jet and the vicinity of the AGN’s central engine. Multi-frequency VLBI data are used to scrutinize the structure and evolution of the jet, as well as the distribution of the polarized emission. These data can help to derive the properties of the plasma and the magnetic field, and to provide constraints to the jet composition and the parameters of emission mechanisms. Also VLBI data can be used for testing the possible physical processes in the jet by comparing observational results with results of numerical simulations. The work presented in this thesis contributes to different aspects of AGN physics studies, as well as to the methodology of VLBI data reduction. In particular, Paper I reports evidence of optical and radio emission of AGN coming from the same region in the inner jet. This result was obtained via simultaneous observations of linear polarization in the optical and in radio using VLBI technique of a sample of AGN. Papers II and III describe, in detail, the jet kinematics of the blazar 0716+714, based on multi-frequency data, and reveal a peculiar kinematic pattern: plasma in the inner jet appears to move substantially faster that that in the large-scale jet. This peculiarity is explained by the jet bending, in Paper III. Also, Paper III presents a test of the new imaging technique for VLBI data, the Generalized Maximum Entropy Method (GMEM), with the observed (not simulated) data and compares its results with the conventional imaging. Papers IV and V report the results of observations of the circularly polarized (CP) emission in AGN at small spatial scales. In particular, Paper IV presents values of the core CP for 41 AGN at 15, 22 and 43 GHz, obtained with the help of the standard Gain transfer (GT) method, which was previously developed by D. Homan and J.Wardle for the calibration of multi-source VLBI observations. This method was developed for long multi-source observations, when many AGN are observed in a single VLBI run. In contrast, in Paper V, an attempt is made to apply the GT method to single-source VLBI observations. In such observations, the object list would include only a few sources: a target source and two or three calibrators, and it lasts much shorter than the multi-source experiment. For the CP calibration of a single-source observation, it is necessary to have a source with zero or known CP as one of the calibrators. If the archival observations included such a source to the list of calibrators, the GT could also be used for the archival data, increasing a list of known AGN with the CP at small spatial scale. Paper V contains also calculation of contributions of different sourced of errors to the uncertainty of the final result, and presents the first results for the blazar 0716+714.

CFD Modelling of Direct Contact Condensation in Suppression Pools by Applying Condensation Models of Separated Flow

The condensation rate has to be high in the safety pressure suppression pool systems of Boiling Water Reactors (BWR) in order to fulfill their safety function. The phenomena due to such a high direct contact condensation (DCC) rate turn out to be very challenging to be analysed either with experiments or numerical simulations. In this thesis, the suppression pool experiments carried out in the POOLEX facility of Lappeenranta University of Technology were simulated. Two different condensation modes were modelled by using the 2-phase CFD codes NEPTUNE CFD and TransAT. The DCC models applied were the typical ones to be used for separated flows in channels, and their applicability to the rapidly condensing flow in the condensation pool context had not been tested earlier. A low Reynolds number case was the first to be simulated. The POOLEX experiment STB-31 was operated near the conditions between the ’quasi-steady oscillatory interface condensation’ mode and the ’condensation within the blowdown pipe’ mode. The condensation models of Lakehal et al. and Coste & Lavi´eville predicted the condensation rate quite accurately, while the other tested ones overestimated it. It was possible to get the direct phase change solution to settle near to the measured values, but a very high resolution of calculation grid was needed. Secondly, a high Reynolds number case corresponding to the ’chugging’ mode was simulated. The POOLEX experiment STB-28 was chosen, because various standard and highspeed video samples of bubbles were recorded during it. In order to extract numerical information from the video material, a pattern recognition procedure was programmed. The bubble size distributions and the frequencies of chugging were calculated with this procedure. With the statistical data of the bubble sizes and temporal data of the bubble/jet appearance, it was possible to compare the condensation rates between the experiment and the CFD simulations. In the chugging simulations, a spherically curvilinear calculation grid at the blowdown pipe exit improved the convergence and decreased the required cell count. The compressible flow solver with complete steam-tables was beneficial for the numerical success of the simulations. The Hughes-Duffey model and, to some extent, the Coste & Lavi´eville model produced realistic chugging behavior. The initial level of the steam/water interface was an important factor to determine the initiation of the chugging. If the interface was initialized with a water level high enough inside the blowdown pipe, the vigorous penetration of a water plug into the pool created a turbulent wake which invoked the chugging that was self-sustaining. A 3D simulation with a suitable DCC model produced qualitatively very realistic shapes of the chugging bubbles and jets. The comparative FFT analysis of the bubble size data and the pool bottom pressure data gave useful information to distinguish the eigenmodes of chugging, bubbling, and pool structure oscillations.

Motores de reacción modernos por turbinas de gas

This Bachelor’s thesis investigates the different types of jet engines used nowadays, their performance and applications. The thesis includes a general study of dynamics of fly, engine thermodynamics and contamination.

Sotilaslentäjän fyysinen suorituskyky sekä työperäiset tuki- ja liikuntaelinoireet

Kirjallisuudesta välittyy useitten vuosikymmenten ajalta tietämys sotilaslentämisen fyysisestä kuormittavuudesta. G-voimista aiheutuva kuormittuminen näyttää johtavan joko akuutisti tai pitkäaikaisesti lentäjän tuki- ja liikuntaelimistön toimintakykyä alentaviin ongelmiin. Erityisesti on selvitetty niskan alueen työperäisten ongelmien syntyä, jolloin on havaittu lentotoiminnan fyysisen kuormittavuuden johtavan ennenaikaiseen rakenteelliseen rappeumaan, haittaa aiheuttavan oireen lisäksi. Kansainvälisen kirjallisuuden mukaan ammatista johtuvista eli työperäisistä oireista kärsii vähintään 2/3 kaikista sotilaslentäjistä. Tietyin edellytyksin lentäjien kaularangan alueen rappeuma on Suomessa hyväksytty ammattitaudiksi vuodesta 1995 alkaen. On arveltu, että hyvästä fyysisestä suorituskyvystä olisi apua tuki- ja liikuntaelin (TULE)-oireilun ennaltaehkäisemisessä ja toimintakyvyn ylläpitämisessä. Tutkimusnäyttö tästä on lentäjien osalta ollut toistaiseksi erittäin niukkaa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää suomalaisten sotilaslentäjien työperäisen TULE-oireilun esiintyvyyttä, oireista koetun haitan tasoa, lentäjien fyysisen kunnon tasoja virkauran aikana ja näitten kaikkien välisiä yhteyksiä sekä työperäisen TULE-oireen merkitystä sotilaan toimintakykyyn. Tutkimus jakautui kahteen osaan. Poikkileikkauksena lentotoimintaperäisiä TULE-oireita kartoitettiin kyselytutkimuksella, johon vastasi vuositarkastuksen yhteydessä 267 lentäjää vuosina 2004-2005. Joukosta poimittiin ne 195 lentäjää, jotka olivat suorittaneet yleissotilaalliset kuntotestit puolen vuoden sisällä kyselyyn vastaamisesta, ja mitatut testitulokset yhdistettiin kyselytutkimusaineistoon. Tässä aineistossa toteutettiin fyysisesti erilailla kuormittuvien lentäjäryhmien välisiä vertailuja fyysisen kunnon, TULE-esiintyvyyden ja koetun haitan suhteen. Poikkileikkausosassa tutkittiin myös lentäjien virkauran aikaisia tasoeroja yleissotilaallisissa kuntotesteissä (n=195) verrattuna muihin suomalaisiin sotilaisiin. Lisäksi (N=289) selvitettiin ilmailulääketieteellisen tarkastuksen yhteydessä mitattuja, ns. ammatillisia fyysisiä erityisominaisuuksia eri ikäluokissa. Pitkittäisosassa seurattiin 67:n Hawk-suihkuharjoituskoneella aloittaneen Ilmavoimien sotilaslentäjien lentouran aikaista lentotoimintaperäisten TULE-oireitten esiintyvyyttä vuosien 1996 ja 2008 välillä. Lisäksi tutkittiin lentäjien kontakteja työterveyshuoltoon, oireen aiheuttamaa lentokelvottomuusaikaa, työn kuormituksen kumulatiivista kertymää lentotuntien lisääntyessä ja TULE-oireiden esiintyvyyden kannalta kriittisiä ajankohtia lentouran aikana. Tulokset osoittivat, että kaikki seurannassa olleet suomalaiset sotilaslentäjät kokivat jonkinasteisen lentotoimintaperäisen TULE-oireen uransa aikana. Niskan ammattitautiluokituksen tasoisen ongelman esiintyvyys oli 4 % koko lentäjäpopulaatiosta ja 10 % suihkuharjoituskonevaiheen jo läpäisseistä, mutta vastaavanlaisia TULE-ongelmia, ilman riittävää näyttöä ammattitaudista, esiintyi lähes joka kolmannella sotilaslentäjällä. Alaselän osalta lentäjät oireilivat lähes samassa määrin, mutta näitä oireita ei toistaiseksi ole mahdollista määrittää ammattitaudiksi. Lentäjät kävivät varsin vähän valittamassa oireistaan työterveyshuoltoon, jossa käytäneen vasta silloin, kun oire jo selvästi heikentää työtehtävissä vaadittavaa toimintakykyä. Merkittävin lentotoimintaperäisten oireitten esiintymisen kasvu ajoittui 200 Hawk-lentotunnin kohdalle, jolloin koneella saavutetaan eräänlainen optimaalinen G-indeksi eli taktisen liikehtelyn G-tasoylitysten vaihtelu. Tämän jälkeen lentäjät ovat erityisen alttiina akuuteille lennonaikaisille TULE-ongelmille. Oireitten esiintyminen kasvoi eksponentiaalisesti noin 600 lentotuntiin asti. Monimuuttujamallien mukaan työperäisen TULE-oireen esiintyvyysriskiä vähensivät alaraajojen hyvä motoriikka, korkeat valintapisteet ja korkea kaulan fleksion voimataso maksimaalisessa isometrisessä testissä. Yleissotilaallisilla kuntotasoilla ei ollut yhteyttä oireiluun, mutta lihaskunnoltaan voimakkaimmat lentäjät kärsivät tilastollisesti merkittävästi vähemmän haittaa lentotoimintaperäisistä TULE-oireistaan. Yleissotilaallisissa kuntotesteissä lentäjät olivat parempia kuin muut suomalaiset sotilaat. Aktiivisimman lentouran aikana, 30-40-vuotiaina, lentäjien fyysinen suorituskyky oli normaaliväestöön nähden vain keskimääräinen ja urheilijoihin nähden keskimääräistä heikompi. Käytännössä lentäjät eivät kyenneet ylläpitämään valintavaiheen fyysistä suorituskykyään edes kadettivaiheen loppuun asti. Huomattavaa oli lisäksi, että aktiivisen lentouran päätyttyä fyysinen kunto näytti jossain määrin palautuvan kohti lähtötasoa lentäjien ikääntymisestä huolimatta. Lentäjien valintavaiheen aikana mitatun fyysisen suorituskyvyn tason säilyminen aktiivisen lentopalveluksen loppuun asti vaatisi lentäjien fyysisen toimintakyvyn ylläpidon ja kehittämisen tehostamista koulutuksen ja työuran eri vaihessa. Tähän tavoitteeseen nähden Ilmavoimien fyysisen kasvatuksen järjestelyt vaikuttivat alimitoitetuilta. Operatiivisesti huolestuttavaa oli Ilmavoimien ohjaajien fyysisen suorituskyvyn heikentyminen silloin, kun heidän taitojensa puolesta olisi pitänyt olla suorituskykyisimpiä taistelutehtäviinsä. Myös lentäjän terveyttä ja toimintakykyä pitäisi pystyä reaaliaikaisemmin seuraamaan koko lentouran aikana. Ilmavoimille suositellaan moniammatillista lähestymistä sotilaslentäjien toimintakyvyn ylläpitämiseen ja terveysriskien hallintaan yhdessä liikunnan, työterveyshuollon, lentoturvallisuusalan ja operatiivisen suunnittelun asiantuntijoitten kanssa. Lisäksi suositellaan avoimempaa ja eettisesti kestävämpää suhtautumista ammattiin liittyvien terveysongelmien kuvaamiseen sekä fyysisen kunnon kysymyksiin jo lentäjien rekrytointivaiheessa.

Mahdollisuudet sisäilmaoireiden poistamiseen huonekohtaisen ilmanpuhdistimen avulla eri aikakauden rakennuksissa

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää sisäilmaongelmien aiheuttajia ja keinoja niiden poistamiseen. Kokeellisessa osuudessa on tavoitteena selvittää kenttämittauksin sisäilman epäpuhtauspitoisuuksia ja ilmanpuhdistimien vaikutusta sisäilman laatuun. Työ toteutetaan kirjallisuustutkimuksen, sisäilmamittauksien sekä asiantuntija- ja sisäilmakyselyjen avulla. Tutkimukseen valittiin viisi erilaisia puhdistustekniikoita käyttäviä ilmanpuhdistimia. Valitut ilmanpuhdistimet olivat viikon ajan viidessä eri koululuokassa, joissa tehtiin sisäilmamittauksia ennen puhdistimen käynnistystä ja sen jälkeen. Luokista kerättiin ilmanäytteitä Andersen keräimellä ja VOC-pumpulla sekä pölynäytteitä pintasivelynä. Tutkimuskohteissa ei havaittu merkittäviä sisäilmaongelmia ja ilmanäytteiden pitoisuudet olivat pääasiassa alhaisia. Poikkeavia sienisukuja ei myöskään esiintynyt valtalajeina. Rakennetutkimukset ja materiaalinäytteet ovat ensisijaisia tutkimusmenetelmiä ongelmakohteissa. Syytä sisäilman aiheuttamaan oireiluun ei vielä tarkalleen tiedetä. Suunnitteluun, valvontaan ja kunnossapitoon tulee panostaa enemmän. Mittausmenetelmiä tulee myös kehittää lisää ja huolehtia ilmanvaihdon toimivuudesta. Tutkimuksia tuleekin tehdä aina kokonaisvaltaisesti.

Ejektoripumpun suorituskyvyn kokeellinen testaus

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan ejektoripumpun suorituskykyä teoreettisesti tutkimukseen pohjautuen ja kokeellisesti testilaitteistolla. Suorituskyvyn tarkastelun lähtökohtana on selvittää ejektorin käyttömahdollisuuksia mikro-ORC-energiamuuntimessa esi- ja pääsyöttöpumpun kavitoinnin estämiseksi ja koko prosessin huollettavuuden parantamiseksi. Ejektorin suorituskyvyn tarkastelu suoritetaan kuitenkin yleisesti sovelluskohteesta riippumatta tehdyt rajaukset huomioiden. Työn tarkoituksena on esitellä testaukseen rakennettava testilaitteisto ominaisuuksineen sekä määrittää kokeellisesti rakennettavalla laitteistolla ejektorin suorituskyvyn tunnuslukuja teoreettisen ja kokeellisen tarkastelun välisten korrelaatioiden selvittämiseksi sekä tilanteeseen sopivan ejektorin valitsemiseksi.

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.

The role of cathepsin K in lung development and newborn chronic lung injury.

Chronic lung diseases, specifically bronchopulmonary dysplasia (BPD), are still causing mortality and morbidity amongst newborn infants. High protease activity has been suggested to have a deleterious role in oxygen-induced lung injuries. Cathepsin K (CatK) is a potent protease found in fetal lungs, degrading collagen and elastin. We hypothesized that CatK may be an important modulator of chronic lung injury in newborn infants and neonatal mice. First we measured CatK protein levels in repeated tracheal aspirate fluid samples from 13 intubated preterm infants during the first two weeks of life. The amount of CatK at 9-13 days was low in infants developing chronic lung disease. Consequently, we studied CatK mRNA expression in oxygen-exposed wild-type (WT) rats at postnatal day (PN) 14 and found decreased pulmonary mRNA expression of CatK in whole lung samples. Thereafter we demonstrated that CatK deficiency modifies lung development by accelerating the thinning of alveolar walls in newborn mice. In hyperoxia-exposed newborn mice CatK deficiency resulted in increased number of pulmonary foam cells, macrophages and amount of reduced glutathione in lung homogenates indicating intensified pulmonary oxidative stress and worse pulmonary outcome due to CatK deficiency. Conversely, transgenic overexpression of CatK caused slight enlargement of distal airspaces with increased alveolar chord length in room air in neonatal mice. While hyperoxic exposure inhibited alveolarization and resulted in enlarged airspaces in wild-type mice, these changes were significantly milder in CatK overexpressing mice at PN7. Finally, we showed that the expression of macrophage scavenger receptor 2 (MSR2) mRNA was down-regulated in oxygen-exposed CatK-deficient mice analyzed by microarray analysis. Our results demonstrate that CatK seems to participate in normal lung development and its expression is altered during pulmonary injury. In the presence of pulmonary risk factors, like high oxygen exposure, low amount of CatK may contribute to aggravated lung injury while sustained or slightly elevated amount of CatK may even protect the newborn lungs from excessive injury. Besides collagen degrading and antifibrotic function of CatK in the lungs, it is obvious that CatK may affect macrophage activity and modify oxidative stress response. In conclusion, pulmonary proteases, specifically CatK, have distinct roles in lung homeostasis and injury development, and although suggested, broad range inhibition of proteases may not be beneficial in newborn lung injury.

Energianmuuntimen valmistettavuuden kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli selvittää energianmuuntimen kaupallistamiseksi kannattavin valmistuskonsepti. Työssä esitettiin energianmuuntimelle kaksi mahdollista valmistuskonseptia; hitsattu rakenne ja tuotteen rungon valaminen. Tuotteen uuden rakenteen suunnittelu suoritettiin DFMA -projektin etenemisjärjestyksen mukaisesti. Uuden rakenteen suunnittelun tuloksena DFMA -projektille asetetut tavoitteet saavutettiin. Työssä valittiin rungon valamiseen soveltuvat valumenetelmät, joita ovat hiekkavalu, Lost Foam ja Replicast CS. Kappaleen valettavuudelle suoritettiin analyysi, jonka perusteella ennen diplomityön aloittamista suunniteltu valurunko ei ole valmistettavissa työssä esitettynä konstruktiona. Johtopäätöksenä rungon valamisesta todettiin, että valurunko on suunniteltava uudestaan huomioimalla diplomityössä esitetyt toimenpiteet valmistettavuuden parantamiseksi. Mikäli tuotekehitysprosessia ei jatketa valurungon sunnittelun osalta, valitaan hitsattu rakenne energianmuuntimen valmistuskonseptiksi.

Katsaus lisäävän valmistuksen (aka 3D-tulostus) mahdollisuuksiin ja kustannuksiin metallisten tuotteiden valmistuksessa: Case jauhepetitekniikka

Suurelle yleisölle lisäävä valmistustekniikka eli ns. 3D-tulostustekniikka näyttäytyy lehtien otsikoissa ja artikkeleissa esiin pulpahtavana ”muotiaiheena”, mutta sekä muovien 3D-tulostustekniikka että metallienkin vastaava valmistustekniikka on ollut olemassa maailmalla ja Suomessa 80-luvun puolivälistä alkaen. Yhdysvalloissa ja Saksassa tekniikkaa käytetään valmistavassa teollisuudessa toiminnallisten osien tuotannossa. Esimerkiksi lentokoneen suihkumoottorien osia ja lääketieteellisiä välineitä tehdään metallijauheesta lisäävän valmistuksen avulla. Itse asiassa eräs menetelmä metalliesineiden valmistamiseksi lasersäteen avulla keksittiin Suomessa ja sitä myös kehiteltiin täällä, mutta teollisuudenala lähti aikanaan nousuun Saksassa. Lisäävä valmistus on tällä hetkellä maailmanlaajuisesti eräs kiinnostavista tuotantotekniikoista, jonka uskotaan muuttavan monia asioita tuotteiden suunnittelussa, toiminnoissa ja valmistuksessa. Tämä tekniikka ei kiinnosta pelkästään valmistavaa teollisuutta, vaan tietotekniikan, lääketieteen, koruvalmistuksen ja muotoilun osaajat sekä uusien liiketoimintamallien kehittäjät ja logistiikka operaattorit ovat teknologiasta kiinnostuneita. Suomelle 3D-tulostustekniikka on suuri mahdollisuus, sillä maassamme on vahva teollinen tieto- ja viestintätekniikkaosaaminen sekä lisäksi olemme maassamme erikoistuneet varsin vaativien teollisiin laitteiden valmistukseen. Eräät suurimmista mahdollisuuksista tällä tekniikalla ovat toimitusketjuihin liittyvät muutokset. Uutta on, että pienetkin yritykset ja organisaatiot voivat soveltaa tätä tekniikkaa valmistuksessa ja jopa kehitellä täysin uusia tuotteita. On myös arvioitu, että lisäävän valmistuksen merkitys valmistustapoihin ja toimitusketjuihin voi olla suurempi kuin koskaan aikaisemmin minkään teknologisen uudistuksen kohdalla. Lisäävästä valmistuksesta usein puhutaankin kolmantena teollisena vallankumouksena juuri tämän takia. 3D-tulostuksen kustannuksia tarkasteltaessa on tärkeätä huomata että vain sulatetun jauheen määrä ratkaisee, ei käytettävän geometrian monimutkaisuus. Tämä erottaa perinteisen ja lisäävän valmistuksen toisistaan. Perinteisesti kappaleen keventäminen on maksanut ”ylimääräistä”, kun taas lisäävässä valmistuksessa kappaleen keveys on jopa kustannusta alentava tekijä. Valmistettavan kappaleen korkeus on yksi kriittisimpiä kustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tämän vuoksi useamman kappaleen valmistus yhdellä kertaa parantaa kannattavuutta huomattavasti. Samalla kertaa voi ja itse asiassa kannattaakin valmistaa keskenään erilaisia kappaleita. Perinteiset valmistustavat sen sijaan ovat nykyajan vaatimuksille liian hitaita; ne joustavat huonosti, kun kyseessä on pienet, asiakaslähtöiset erät. Trendi on globaalisti kohden yksilöllisiä asiakaslähtöisiä tuotteita, jolloin myös valmistustekniikoiden on oltava joustavia pysyäkseen näiden vaatimusten perässä. Lisäävä valmistus sopii erityisesti hyvin piensarjatuotantoon. Suuremmissa valmistuserissä kuitenkin perinteiset tekniikat ovat kustannustehokkaampia.

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.

Ohuiden päällystyskerrosten applikointi puukuitupohjaisille materiaaleille

Työn aiheena oli tutkia vaahdon soveltuvuutta ohuiden päällystyskerrosten applikointiin paperin tai kartongin pinnalle. Paperia ja kartonkia päällystetään teollisessa mittakaavassa eri menetelmillä, mutta niille kaikille yhteistä on päällystyspastan laimentaminen vedellä ennen applikointia ja laimennusveden haihduttaminen applikoinnin jälkeen päällysteen asettamiseksi. Laimennus on tärkeää pastan komponenttien tasaisen levittämisen vuoksi, mutta veden haihduttaminen kuluttaa valtavasti energiaa. Tekstiiliteollisuudessa on saavutettu merkittäviä säästöjä kuivausenergiassa korvaamalla laajalti vedellä laimentaminen vaahdottamisella. Diplomityön kirjallisessa osassa käytiin läpi vaahdon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä selvitettiin mitä kemikaaleja ja laitteita vaahdotukseen käytetään. Lisäksi luotiin katsaus vaahtoprosessien käyttöön tekstiiliteollisuudessa ja muilla aloilla. Kokeellinen osa koostui esikokeista, joissa selvitettiin pastan koostumuksen vaikutuksia vaahtoamiseen, ja pilot-mittakaavan koeajoista, joissa esikokeiden tuloksia hyödynnettiin. Esikokeissa huomiota kiinnitettiin varsinkin eri polyvinyylialkoholien (PVA) seosten erinomaiseen vaahtoavuuteen. Pilot-koeajoissa vaahtopäällystys vaikutti lupaavalta menetelmältä, joskaan täysin tyydyttävää päällystystulosta ei saavutettu. Suurimpana ongelmana esiintyi ilman pääseminen pohjapaperin ja päällysteen väliin ja siitä seuraava huono päällystejälki. Toisen ongelmakokonaisuuden muodostivat päällysteeseen jäävät reiät. Vaahtopäällystys vaikuttaa lupaavalta tekniikalta ohuiden päällystekerrosten applikointiin, mutta pastareseptejä tulee optimoida ja ratkaista päällysteen alle pääsevän ilman ongelma.

Feasibility of industrial implementation of laser cutting into paper making machine

Laser cutting implementation possibilities into paper making machine was studied as the main objective of the work. Laser cutting technology application was considered as a replacement tool for conventional cutting methods used in paper making machines for longitudinal cutting such as edge trimming at different paper making process and tambour roll slitting. Laser cutting of paper was tested in 70’s for the first time. Since then, laser cutting and processing has been applied for paper materials with different level of success in industry. Laser cutting can be employed for longitudinal cutting of paper web in machine direction. The most common conventional cutting methods include water jet cutting and rotating slitting blades applied in paper making machines. Cutting with CO2 laser fulfils basic requirements for cutting quality, applicability to material and cutting speeds in all locations where longitudinal cutting is needed. Literature review provided description of advantages, disadvantages and challenges of laser technology when it was applied for cutting of paper material with particular attention to cutting of moving paper web. Based on studied laser cutting capabilities and problem definition of conventional cutting technologies, preliminary selection of the most promising application area was carried out. Laser cutting (trimming) of paper web edges in wet end was estimated to be the most promising area where it can be implemented. This assumption was made on the basis of rate of web breaks occurrence. It was found that up to 64 % of total number of web breaks occurred in wet end, particularly in location of so called open draws where paper web was transferred unsupported by wire or felt. Distribution of web breaks in machine cross direction revealed that defects of paper web edge was the main reason of tearing initiation and consequent web break. The assumption was made that laser cutting was capable of improvement of laser cut edge tensile strength due to high cutting quality and sealing effect of the edge after laser cutting. Studies of laser ablation of cellulose supported this claim. Linear energy needed for cutting was calculated with regard to paper web properties in intended laser cutting location. Calculated linear cutting energy was verified with series of laser cutting. Practically obtained laser energy needed for cutting deviated from calculated values. This could be explained by difference in heat transfer via radiation in laser cutting and different absorption characteristics of dry and moist paper material. Laser cut samples (both dry and moist (dry matter content about 25-40%)) were tested for strength properties. It was shown that tensile strength and strain break of laser cut samples are similar to corresponding values of non-laser cut samples. Chosen method, however, did not address tensile strength of laser cut edge in particular. Thus, the assumption of improving strength properties with laser cutting was not fully proved. Laser cutting effect on possible pollution of mill broke (recycling of trimmed edge) was carried out. Laser cut samples (both dry and moist) were tested on the content of dirt particles. The tests revealed that accumulation of dust particles on the surface of moist samples can take place. This has to be taken into account to prevent contamination of pulp suspension when trim waste is recycled. Material loss due to evaporation during laser cutting and amount of solid residues after cutting were evaluated. Edge trimming with laser would result in 0.25 kg/h of solid residues and 2.5 kg/h of lost material due to evaporation. Schemes of laser cutting implementation and needed laser equipment were discussed. Generally, laser cutting system would require two laser sources (one laser source for each cutting zone), set of beam transfer and focusing optics and cutting heads. In order to increase reliability of system, it was suggested that each laser source would have double capacity. That would allow to perform cutting employing one laser source working at full capacity for both cutting zones. Laser technology is in required level at the moment and do not require additional development. Moreover, capacity of speed increase is high due to availability high power laser sources what can support the tendency of speed increase of paper making machines. Laser cutting system would require special roll to maintain cutting. The scheme of such roll was proposed as well as roll integration into paper making machine. Laser cutting can be done in location of central roll in press section, before so-called open draw where many web breaks occur, where it has potential to improve runability of a paper making machine. Economic performance of laser cutting was done as comparison of laser cutting system and water jet cutting working in the same conditions. It was revealed that laser cutting would still be about two times more expensive compared to water jet cutting. This is mainly due to high investment cost of laser equipment and poor energy efficiency of CO2 lasers. Another factor is that laser cutting causes material loss due to evaporation whereas water jet cutting almost does not cause material loss. Despite difficulties of laser cutting implementation in paper making machine, its implementation can be beneficial. The crucial role in that is possibility to improve cut edge strength properties and consequently reduce number of web breaks. Capacity of laser cutting to maintain cutting speeds which exceed current speeds of paper making machines what is another argument to consider laser cutting technology in design of new high speed paper making machines.