Monivaiheisen höyryturbiinin optimointi

Tässä diplomityössä optimoitiin nelivaiheinen 1 MWe höyryturbiinin prototyyppimalli evoluutioalgoritmien avulla sekä tutkittiin optimoinnista saatuja kustannushyötyjä. Optimoinnissa käytettiin DE – algoritmia. Optimointi saatiin toimimaan, mutta optimoinnissa käytetyn laskentasovelluksen (semiempiirisiin yhtälöihin perustuvat mallit) luonteesta johtuen optimoinnin tarkkuus CFD – laskennalla suoritettuun tarkastusmallinnukseen verrattuna oli jonkin verran toivottua pienempi. Tulosten em. epätarkkuus olisi tuskin ollut vältettävissä, sillä ongelma johtui puoliempiirisiin laskentamalleihin liittyvistä lähtöoletusongelmista sekä epävarmuudesta sovitteiden absoluuttisista pätevyysalueista. Optimoinnin onnistumisen kannalta tällainen algebrallinen mallinnus oli kuitenkin välttämätöntä, koska esim. CFD-laskentaa ei olisi mitenkään voitu tehdä jokaisella optimointiaskeleella. Optimoinnin aikana ongelmia esiintyi silti konetehojen riittävyydessä sekä sellaisen sopivan rankaisumallin löytämisessä, joka pitäisi algoritmin matemaattisesti sallitulla alueella, muttei rajoittaisi liikaa optimoinnin edistymistä. Loput ongelmat johtuivat sovelluksen uutuudesta sekä täsmällisyysongelmista sovitteiden pätevyysalueiden käsittelyssä. Vaikka optimoinnista saatujen tulosten tarkkuus ei ollut aivan tavoitteen mukainen, oli niillä kuitenkin koneensuunnittelua edullisesti ohjaava vaikutus. DE – algoritmin avulla suoritetulla optimoinnilla saatiin turbiinista noin 2,2 % enemmän tehoja, joka tarkoittaa noin 15 000 € konekohtaista kustannushyötyä. Tämä on yritykselle erittäin merkittävä konekohtainen kustannushyöty. Loppujen lopuksi voitaneen sanoa, etteivät evoluutioalgoritmit olleet parhaimmillaan prototyyppituotteen optimoinnissa. Evoluutioalgoritmeilla teknisten laitteiden optimoinnissa piilee valtavasti mahdollisuuksia, mutta se vaatii kypsän sovelluskohteen, joka tunnetaan jo entuudestaan erinomaisesti tai on yksinkertainen ja aukottomasti laskettavissa.

TUKKE – Tuoteseuranta satamasidonnaisessa kuljetusketjussa

Logistiikka-alalla toimivien yritysten liiketoimintaympäristö on muuttunut globalisaation myötä maailmanlaajuiseksi ja entistä dynaamisemmaksi. Tämä on lisännyt ajantasaisen ja virheettömän tiedon välityksen merkitystä läpi maa- ja yritysrajojen ylittävien toimitusketjujen. Tuoteseuranta ja siihen liittyvän tiedon välittäminen ovat olennainen osa maailmanlaajuisten toimitusketjujen hallintaa. Tuoteseurannan avulla tavaratoimituksia voidaan seurata läpi toimitusketjun, minkä ansiosta tieto kuljetuskaluston, kuljetusyksiköiden ja tuotteiden sijainnista ja saatavuudesta on tarvittaessa eri osapuolten käytettävissä ajasta ja paikasta riippumatta. Tarkan tavaratoimitusten sijainnin tietäminen tehostaa toimitusketjun eri osapuolten resurssien suunnittelua ja kohdistamista, mahdollistaa toimitusketjun pullonkaulojen havaitsemisen sekä helpottaa poikkeamatilanteiden hallintaa. Satamissa toimitusketjujen hallinnan merkitys korostuu toimijoiden ja erilaisten prosessien monitahoisuudesta johtuen. Tämä tutkimusraportti on Turun yliopiston Merenkulkualan koulutus- ja tutkimuskeskuksen Kotkan yksikössä tammikuun 2008 ja elokuun 2009 välisenä aikana toteutetun Tuoteseuranta satamasidonnaisessa kuljetusketjussa (TUKKE) -projektin loppuraportti TUKKE-projektissa tarkasteltiin satamasidonnaisissa kuljetusketjuissa liikkuvia tietovirtoja ja niiden jakamista eri toimijoiden kesken sekä selvitettiin satamasidonnaisten kuljetusketjujen tuoteseurannan nykytilaa ja kehitysmahdollisuuksia. Tuoteseurannassa hyödynnettävät tunnistus- ja paikannusmenetelmät voidaan jakaa satelliittipaikannus-, verkkopaikannus- ja lähipaikannusmenetelmiin. Satelliittipaikannus on käytännössä ainoa reaaliaikaisen maailmanlaajuisen tuoteseurannan mahdollistava menetelmä, jonka tarkkuus on tyypillisesti muutamia metrejä, mutta erilaisilla laajennuksilla voidaan päästä vieläkin parempiin paikannustarkkuuksiin. Satelliittipaikannus soveltuu pääasiassa kuljetusvälineiden ja suurten kuljetusyksiköiden (esim. kontti) seurantaan, ja vain erityistapauksissa kriittisten yksittäisten tuotteiden seurantaan. Verkkopaikannusmenetelmät eivät yksistään sovellu ehdotonta tarkkuutta vaativiin paikannussovelluksiin, sillä niiden tarkkuus vaihtelee tekniikasta ja ympäristöstä riippuen kymmenistä metreistä aina kymmeniin kilometreihin. Jatkuvan ja reaaliaikaisen kaupallisen paikannuspalvelun toteuttaminen verkkopaikannusmenetelmillä on käytännössä mahdotonta. Verkkopaikannusta voidaankin hyödyntää lähinnä yksittäisiä paikkapyyntöjä toteuttavana menetelmänä, joka soveltuu toimitusketjuissa lähinnä tavaratoimitusten karkean tason seurantaan. Verkkopaikannus soveltuu nykyään lähinnä satelliittipaikannusta tukevaksi menetelmäksi, esimerkiksi poikkeamatilanteiden hallinnassa. Lähipaikannustekniikat ovat ainoita paikannusmenetelmiä, joilla päästään jopa senttimetritason tarkkuuksiin sekä sisä- että ulkotiloissa. Lähipaikannusmenetelmät soveltuvat hyvin esimerkiksi varastojen hallintaan. Lähipaikannusmenetelmiin kuuluvat tunnistusmenetelmät (viivakoodi ja RFID) helpottavat tuotteiden hallintaa tarjoamalla statustietoa tavaratoimituksista toimitusketjun eri vaiheissa. Tunnistusmenetelmät ovat usein järkevin ratkaisu tuotetasoisessa seurannassa. Erilaiset tavaratoimitukset asettavat erilaisia vaatimuksia tuoteseurannalle. Kokokuormatasoisten kuljetusten seuranta on perinteisesti perustunut konttien osalta yksilölliseen tunnistenumeroon sekä perävaunun ja trailerin osalta rekisterinumeroon. Kokokuormayksiköiden seurannassa olisi mahdollista siirtyä käyttämään tehokkaampia seurantamenetelmiä, joista satelliittipaikannus ja RFID-tekniikka ovat useimmissa tapauksissa sopivimmat ratkaisut. Kokokuormatason seuranta edellyttää seurantatekniikan (esim. RFID-tunniste tai GPS-vastaanotin) asentamista seurattavaan kuljetusyksikköön (esim. kontti). Kokokuormatasoinen seuranta riittää monissa tapauksissa, koska kuljetusyksikköä seurattaessa voidaan samalla seurata sen sisältämiä osakuormia ja yksittäisiä tuotteita. Osakuormatasoinen seuranta tarkoittaa kuljetuslavojen tai muiden vastaavien kuljetusalustojen seurantaa. Kuljetuslavojen seuranta on mahdollista toteuttaa lavakohtaisilla tunnisteilla (esim. RFID-tunniste), joihin voidaan linkittää myös tieto lavan sisältämistä tuotteista. Kuljetuslavoja voidaan seurata reaaliaikaisesti myös satelliittipaikannuksella, mutta tälle ei useinkaan ole tarvetta, koska yleensä toimitusketjun eri osapuolia kiinnostaa lähinnä tavaratoimituksiin liittyvä statustieto. Tuotetasolla tapahtuva tuoteseuranta mahdollistaa yksityiskohtaisen ja tarkan tuotteiden tunnistamisen ja paikantamisen läpi kuljetusketjun. Tuotetasoinen seuranta edellyttää seurantatekniikan asentamista jokaiseen yksittäiseen seurattavaan tuotteeseen. Käytännössä ainoat tuotetasoiseen seurantaan soveltuvat seurantatekniikat ovat viivakoodi- ja RFID-tunnistustekniikat, koska tuotetasoisen seurannan toteuttaminen muilla seurantatekniikoilla ei ole yleensä taloudellisesti järkevää. Yleisesti ottaen tuotetasoista seurantaa kannattaa hyödyntää lähinnä tuotteiden tunnistamisessa ja statustietopohjaisissa sovelluksissa eikä niinkään varsinaisessa paikannuksessa. Satamasidonnaisten kuljetusketjujen tuoteseuranta perustuu nykyään lähinnä statustietoon ja sitä tarjoaviin tunnistustekniikoihin. Tämä johtuu pääasiassa siitä, ettei satamasidonnaisissa toimitusketjuissa useinkaan tarvita statustietoa tarkempaa tietoa, vaan yleensä pelkkä ETA-tieto riittää. Esimerkiksi reaaliaikaista paikkatietoa tarjoavaa satelliittipaikannustekniikkaa hyödynnetään satamasidonnaisissa kuljetusketjuissa lähinnä navigoinnissa ja reittisuunnittelussa, mutta vain harvoin reaaliaikaisessa tuoteseurannassa. Matkapuhelinverkkoihin perustuva paikannus ei näyttäisi olevan yleisessä käytössä satamasidonnaisten kuljetusketjujen tuoteseurannassa. Toimijoiden laajasta kirjosta johtuen satamasidonnaisissa toimitusketjuissa on harvoin käytössä yhtenäistä koko toimitusketjun kattavaa tuoteseurantajärjestelmää. Laajan ja useita toimijoita sisältävän tuoteseurantajärjestelmän rajapintojen ja standardien integrointi on erittäin haastavaa. Kullakin toimitusketjun toimijalla on yleensä käytössä omia sisäisiä järjestelmiä, joilla voidaan tietyiltä osin hallita tavaratoimitusten seurantaa kyseisen yrityksen näkökulmasta. Yhtenäinen koko toimitusketjun kattava tuoteseurantaratkaisu voi toimia suljetuissa järjestelmissä, joissa on rajattu määrä toimijoita ja joissa tavoitellaan vain näiden toimijoiden yhteisiä etuja. Suljetuissa järjestelmissä eri toimijoiden väliset rajapinnat on integroitu keskenään yhteensopiviksi, ja osapuolien välille on muodostunut vakiintuneita toimintatapoja. Lisäksi suljetut järjestelmät pysyvät usein melko muuttumattomina. Nämä tekijät tuovat läpinäkyvyyttä suljettuun toimitusketjuun, ja tuotetiedon jakamisesta tulee luonnollinen osa toimitusketjun toimintaa. Tekniset valmiudet hyvinkin kehittyneiden ja monipuolisten koko toimitusketjuja kattavien tuoteseurantaratkaisujen toteuttamiseen ovat jo olemassa. Toimitusketjujen laajuisten seurantaratkaisujen kehittämisen esteenä eivät siis niinkään ole itse seurantatietoa tuottavat tunnistus- ja paikannustekniikat, vaan suurimpana haasteena on seurantatiedon saattaminen sellaiseen muotoon, että se on helposti jokaisen toimitusketjun osapuolen saatavissa ja hyödynnettävissä. Yksittäisillä mailla ja satamilla on jo nykyään käytössä eräänlaisia tietoportaaleja, jotka mahdollistavat tavaratoimituksiin liittyvien tietojen keskitetyn tallentamisen ja hyödyntämisen. Myös Suomen meriliikennettä palvelee tämäntapainen keskitetty tietoportaali PortNet, joka on tarkoitettu pääasiassa aluskäynteihin liittyvien tietojen jakamiseen eri toimijoiden kesken. PortNet sisältää kuitenkin tietoa vain Suomen satamiin kohdistuvista aluskäynneistä. Tästä johtuen tavaratoimitusten seuranta läpi globaalien toimitusketjujen ei ole PortNet-järjestelmällä mahdollista. Tulevaisuuden kannalta olisikin tärkeää pohtia, olisiko mahdollista kehittää PortNetjärjestelmän kaltainen globaali tietoportaali, joka palvelisi kansainvälisiä satamasidonnaisia toimitusketjuja ja loisi pohjan läpinäkyvälle maa- ja yritysrajat ylittävälle tuoteseurantaratkaisulle.

Poikatyttö Masa sukupuolijärjestyksen määrittäjänä ja purkajana. Sukupuolen (queerit) strategiat Tuija Lehtisen Mirkka-sarjassa

Tutkimukseni aiheena on Tuija Lehtisen tyttökirjasarja Mirkka, ja siinä esiintyvä poikatyttöhahmo Masa. Tarkastelen miten käsitys sukupuolesta Mirkka-sarjassa konstruoidaan ja millaisten käytänteiden kautta tämä sukupuolen ”tuottaminen” tapahtuu. Oman tulkintani mukaan Masa on poikatyttöytensä takia keskeinen hahmo jäljitettäessä niitä mekanismeja, joiden avulla kirjasarjan esittämä kuva sukupuolesta ja seksuaalisuudesta rakentuu. Poikatyttöhahmoja on esiintynyt niin nuorten kuin aikuistenkin kirjallisuudessa jo 1800-luvulta lähtien. Poikatytön hahmoon voidaan liittää naiselle sopimaton ja maskuliininen käytös, pojan vaatteiden käyttäminen, poikana esiintyminen, androgyynisyys ja se voidaan nähdä myös osana trans- tai lesboidentiteettiä. Kysyn tässä tutkimuksessa mitä tämä pojaksi ”tekeytyminen” esimerkiksi Masan hahmon kohdalla tarkoittaa, ja mitä merkityksiä feminiinisyys ja maskuliinisuus saavat poikatytön hahmossa. Mitkä tekijät mahdollistavat sen, että voidaan ylipäänsä puhua sellaisesta hahmosta kuin poikatyttö, ja millä tavalla hahmo toimii nuortenkirjallisuudessa sekä binaarisen sukupuolikäsityksen osoittajana että myös sen purkajana. Käsittelen edellä mainittuja tutkimuskysymyksiä neljän pääteeman kautta: 1) Miten Masan poikatyttöys rakentuu suhteessa Mirkka-sarjan tyttö- ja poikarepresentaatioihin. 2) Mirkkasarjan heteronormatiivinen parisuhdeihanne tyttökirjan kontekstissa 3) Poikatyttöhahmon sukupuolitettu toimijuus 4) Millä tavoin Masan hahmoa ja poikatyttöä olisi mahdollista lukea queer-lapsen kuvauksena. Mirkka-sarjassa keskeisimmät sukupuolikategorioita tuottavat ja ylläpitävät diskurssit ovat heteronormatiivinen käsitys sukupuolesta sekä heteroseksuaalinen parisuhdeihanne. Olen työni kuluessa päätynyt siihen, että Masan poikatyttöys on tilanteesta riippuva strategia sukupuoleensa kohdistuvia odotuksia ja velvoitteita vastaan. Se suhteutuu yhtäältä tyttökirjan ja poikatytön hahmon traditioon ja toisaalta sukupuoli- ja queer-tutkimuksen kontekstiin. Teoreettisena viitekehyksenäni on feminististen ja queer-teorioiden ne lähestymistavat, joissa sukupuoli ymmärretään butlerilaisittain performatiivisten toistojen kautta tuotettuna sosiaalisena ja kulttuurisena konstruktiona. Lisäksi paikannan itseni nuortenkirjallisuuden tutkimuksen kontekstiin ja erityisesti tyttökirjallisuuden genren traditioon.

Tutkimus- ja kehitysvaiheen toteuttaminen teknologisessa innovaatioprosessissa

Through the ages technological changes have created new challenges and possibilities to develop products, services, processes or organizations. Management of the technology concerns all of those activities from technical invention to commercial application. Management of the technologic innovation process is the more challenging the more technology is involved in a process. Researches of the technological innovations are seldom concern the implementation of early phases and especially in product manufacturing company. Still there are research and development activities. Therefore the purpose of this research is to develop the pattern for implementation of research and development phases in technological innovation process. This study focuses the main elements of the technological innovation management and main obstacles and drivers. This study also focuses decision making and the other influencing elements of the decision making. The research design of this explorative research applies a qualitative research strategy where a case study method is utilized to collect and analyze the data. The study consisted of a single case to utilize of technological ideas and possibilities. The selected case company was the product manufacturing company which didn’t have own technological research and development organization. The case was a process which was analyzed from two different perspectives. The main unit of analysis was the whole process. The data collecting method of this study included semi-structured and open interviews, participant-observations and experimental tests. Analyzing the case data relies on the theoretical propositions of the framework based on the previous research. Based on this research the key elements of the research and development phases in technological innovation process were technical expertise and preliminary investigation. The obstacles and drivers in the R&D phases by the case were management of the whole process and resources and knowing objectives of process and learning during the process. In addition to the result of the research was the feature of decision making to optimize used time. The findings of this study gave further insight implementation of the technological innovation in the product manufacturing company. The research was based a single case which means the results cannot be generalized to different companies or industry fields. Therefore the results generalizing require further research with multiple researchers.

Comparison Structure Analysis

This study presents an automatic, computer-aided analytical method called Comparison Structure Analysis (CSA), which can be applied to different dimensions of music. The aim of CSA is first and foremost practical: to produce dynamic and understandable representations of musical properties by evaluating the prevalence of a chosen musical data structure through a musical piece. Such a comparison structure may refer to a mathematical vector, a set, a matrix or another type of data structure and even a combination of data structures. CSA depends on an abstract systematic segmentation that allows for a statistical or mathematical survey of the data. To choose a comparison structure is to tune the apparatus to be sensitive to an exclusive set of musical properties. CSA settles somewhere between traditional music analysis and computer aided music information retrieval (MIR). Theoretically defined musical entities, such as pitch-class sets, set-classes and particular rhythm patterns are detected in compositions using pattern extraction and pattern comparison algorithms that are typical within the field of MIR. In principle, the idea of comparison structure analysis can be applied to any time-series type data and, in the music analytical context, to polyphonic as well as homophonic music. Tonal trends, set-class similarities, invertible counterpoints, voice-leading similarities, short-term modulations, rhythmic similarities and multiparametric changes in musical texture were studied. Since CSA allows for a highly accurate classification of compositions, its methods may be applicable to symbolic music information retrieval as well. The strength of CSA relies especially on the possibility to make comparisons between the observations concerning different musical parameters and to combine it with statistical and perhaps other music analytical methods. The results of CSA are dependent on the competence of the similarity measure. New similarity measures for tonal stability, rhythmic and set-class similarity measurements were proposed. The most advanced results were attained by employing the automated function generation – comparable with the so-called genetic programming – to search for an optimal model for set-class similarity measurements. However, the results of CSA seem to agree strongly, independent of the type of similarity function employed in the analysis.

Tutkimus- ja kehitysvaiheen toteuttaminen teknologisessa innovaatioprosessissa

Teknologiset muutokset ovat kautta aikojen luoneet uusia haasteita ja mahdollisuuksia tuotteiden, palveluiden, prosessien tai organisaatioiden kehittämiseen. Teknologian johtaminen tarkoittaa kaikki niitä toimia, joiden avulla teknologisesta keksinnöstä saadaan kaupallinen sovellus. Teknologisen innovaatioprosessin johtaminen on, sitä haasteellisempaa, mitä enemmän siinä on mukana teknologiaa. Harvoin teknologisten innovaatioiden tutkimukset ovat kohdistuneet prosessin varhaisen vaiheen toteutukseen ja erityisesti tuotannolliseen toimintaan keskittyvissä yrityksissä, vaikka kaikissa tuotteita valmistavissa teollisuuksissa tapahtuu tutkimus- ja kehitystyötä. Siksi tämän tutkimuksen tavoitteena on kehittää toimintamalli teknologisen innovaatioprosessin tutkimus- ja kehitysvaiheen toteuttamiselle. Tutkimus keskittyy teknologisen innovaatioprosessin tärkeimpiin elementteihin johtamisen ja prosessin kannalta sekä sen estäviin ja edistäviin tekijöihin. Tutkimuksessa tarkastellaan myös päätöksentekoa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Tutkimus oli kartoittava ja sillä oli laadullinen tutkimusstrategia. Tarkempi tutkimusmenetelmä kerätä ja analysoida tutkimustietoa oli tapaustutkimus. Tämä tutkimus perustui yhteen tapaukseen teknologisten ideoiden ja mahdollisuuksien hyödyntämisestä. Valittu tapausyritys oli tuotteita valmistava yritys, jolla ei ollut varsinaista tutkimus- ja kehitysorganisaatiota teknologian kehittämistä varten. Itse tapaus oli prosessi, jota analysoitiin kahdesta eri näkökulmasta, mutta primääri analysointiyksikkö oli koko prosessi. Aineiston hankintamenetelmät olivat puolistrukturoidut ja avoimet haastattelut, osallistuva havainnointi ja kokeelliset tutkimukset. Aineiston analysointi perustui aikaisemmin tutkimuksen yhteydessä rakennettuun teoreettiseen viitekehykseen. Teknologisen innovaatioprosessin tutkimus- ja kehitysvaiheen tärkeimmät elementit tutkimuksen mukaan olivat oman teknologian asiantuntemus ja esitutkimusvaihe. Tekijät, jotka tutkimuksen mukaan estivät ja edistivät T&K -vaiheen onnistumista, olivat koko prosessin ja resurssien johtaminen sekä tietoisuus prosessin tavoitteista ja prosessin aikainen oppiminen. Tutkimuksessa löydettiin myös päätöksentekoon liittyvä ominaisuus optimoida siihen käytettävää aikaa. Tutkimuksen tulokset lisäsivät näkemystä teknologisten innovaatioiden toteuttamisesta tuotteita valmistavassa yrityksessä. Tutkimus perustui yhteen tapaukseen, minkä vuoksi tulokset eivät ole yleistettävissä muihin yrityksiin tai toimialoihin. Tulosten yleistämistä varten tutkimuksia tulisi suorittaa lisää ja käyttää useita tutkijoita.

Understanding change processes in business networks : a study of convergence in Finnish telecommunications 1985-2005

Aktörer inom telekommunikationsbranschen i Finland har genomgått en intensiv förändring under de senaste 25 åren, från 1980-talets självständiga företag till företag beroende av varandra, och även av aktörer inom närliggande branscher. I dag skapas telekommunikationsmarknaden inte endast av operatörerna, utan också av mediebolag (t.ex. MTV Media) och IT-företag (t.ex. TietoEnator). Gränserna mellan olika industrier håller därmed på att suddas ut - ett fenomen som allmänt benämns som teknologisk konvergens. Konvergens innebär att någonting integreras; det kan handla om t.ex. teknologier (telefoni och Internet), företag (AOL och Time Warner), industrier (telekom, media och IT-branscherna), tjänster (mobilt TV), produkter (PDA) osv. Detta innebär att ytterst få telekomaktörer ensamma kan vidareutveckla marknaden och tekniska lösningar. Samarbete mellan aktörer krävs; mobiltelefontillverkare, innehållsproducenter, operatörer osv. bör intesifiera sitt samarbete för att kunna erbjuda attraktiva tjänster och produkter till kunder och slutanvändare. Avhandlingen fokuserar speciellt på affärsnätverk och samarbetsmönster mellan nätverksaktörer som medel för att få tillgång till resurser som krävs i en konvergenskarakteriserad affärsomgivning. Avhandlingen lyfter fram vad den teknologiska konvergensen har inneburit för telekomaktörer, dvs. att företag tvingats förändra sina strategier och verksamhetsmodeller. För många företag i branschen har anpassningen till konvergenstänkande varit utmanande, och i vissa fall kan man till och med tala om att företagen upplevt en identitetskris. Den utförda forskningen visar att konvergens uppfattas på marknaden som en pågående förändringsprocess, där varje telekomaktör är tvungen att utvärdera sin roll och position i relation till andra aktörer inom branschen. Konvergensprocesser forsätter i framtiden med ökad intensitet. Aktörerna skapar medvetet sin omgivning genom att agera i olika roller, som kan sträcka sig över industrigränser. Avhandlingen påvisar även att externa händelser och industrikontexten påverkar dynamiken i ett affärsnätverk.

"Parasta kaikista kuitenkin on tämä syönti" : kirjallisuudentutkimus ruokapöydän ääressä

Kirjallisuusarvostelu

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Mikkelin Pursialan pohjavesialueen haitta-aineet

Mikkelin talousvedestä kahden kolmasosan tullessa Pursialan pohjavesialueelta on alueen suojeleminen tärkeää. Pohjaveden laatua uhkaavat etenkin alueella sattuneet pohjavedenpilaantumistapaukset. Merkittävimmät pohjaveden pilaantumistapaukset ovat VAPO Oy:n sahan aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kloorifenoleilla (CP) ja VR:n ratapölkkykyllästämön aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kreosoottiöljyllä sekä Rinnekadun Nesteen aiheuttama pohjaveden pilaantuminen MTBE:llä. Alueella on tehty tutkimuksia ja kunnostuksia pilaantumiin liittyen, mutta näiden tuloksia ei ole aikaisemmin koottu yhteen. Tämän työn tavoitteena oli koota tulokset samaan aineistoon. Työssä keskityttiin kloorifenolien leviämisen tarkasteluun sen Pursialan pohjavedenottamolle muodostaman suurimman uhan vuoksi. Kallioperätietojen, maanpintatietojen ja näytetietojen pohjalta laadittiin myös pienoismalli CP-pilaantuman leviämisen kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Työn tavoitteena oli lisäksi tehdä riskitarkastelua CP-pilaantumaan liittyen ja etsiä keinoja hallita havaittuja riskejä. Riskinhallintaan liittyen työssä tutkittiin kloorifenoleilla pilaantuneen alueen maaperä- ja kalliotietoja sekä pohjaveden laatutietoja. Pursialan pohjavedessä on runsaasti rautaa ja mangaania sekä aggressiivista hiilihappoa. Pohjaveden pH on alueella noin 6,5, lämpötila noin 7,5 ºC ja happipitoisuus noin 0,7 mg/l. Pursialan kaupunginalueen kallioperässä on havaittavissa VAPO Oy:n sahalta vedenottamolle etenevä kalliopainanne, jota pitkin CP etenee. Alueen kallioperä on kiillegneissiä, jossa on pohjois–etelä-suuntaista rakoilua. Maaperätuloksien perusteella on havaittavissa vettä hyvin johtavien maakerrosten jatkuminen koko vedenottamon ja sahan välisen matkan, mikä tarkoittaa, että CP-pitoisella pohjavedellä voi olla aiemmin oletettua nopeampikin yhteys sahalta vedenottamolle. Suurin CP-pitoisuus noin 100 000 µg/l on mitattu KY-5-altaan kohdalle asennetun M14-pohjavesiputken pohjasta. Talousvesiasetuksen raja-arvo CP:lle on 10 µg/l. Sahan ja vedenottamon puolivälissä on havaittu yli 10 000 µg/l meneviä CP-pitoisuuksia. Suurin vedenottamon kaivoista (kaivo 10) mitattu pitoisuus on 149 µg/l. Jakotukilta raakavedestä otetuissa näytteissä tai talousvedessä ei ole kuitenkaan havaittu talousvesiasetuksen ylittäviä CP-pitoisuuksia. Pienoismallin perusteella CP sijaitsee sahan alueella lähellä kallionpintaa ja hajaantuu koko pohjavesipatjaan vedenottamolle päin mentäessä. CP-mittaustuloksissa on havaittavissa pulssimaisuutta. Tämä johtuu todennäköisesti Saimaan pinnan vaihtelun seurauksena muuttuvasta rantaimeytyneen pohjaveden määrästä. Saimaan pinnan nousu näyttäisi tuloksien perusteella nostavan CP-pitoisuuksia saha-alueella ja laskevan lähellä vedenottamoa. Pohjaveden pintatietojen perusteella tehdyn tarkastelun mukaan pohjavesi voi kulkeutua sahalta vedenottamolle parhaimmillaan noin vuodessa. Työssä arvioitiin KY-5–liuoksen vuosittaiseksi käyttömääräksi noin 648–970 m3. Allassakkaa arvioitiin syntyneen yhteensä noin 10–31 m3. Pohjaveteen arvioitiin joutuneen toiminnan aikana yhteensä noin 3 000–4 000 kg CP:tä. Kloorifenolit esiintyvät pohjavedessä lähes täysin kloorifenolaatteina. Kloorifenolien hajoaminen ja muuntuminen pohjavedessä on epätodennäköistä. Käsitteellisen mallin mukaan kloorifenolipilaantuman suurimmat riskit aiheutuvat kloorifenolien mahdollisuudesta pilata Pursialan vedenottamon talousvesi. Tällä hetkellä riskejä hallitaan kloorifenolien leviämisen tarkkailulla, sahan ja vedenottamon puolivälissä sijaitsevalla koepumppauksella sekä varautumalla aktiivihiilijauheen syöttöön talousvesiprosessiin. Koepumppauksen avulla on saatu ylös tällä hetkellä noin 69 kg kloorifenoleita. Tutkimuksen perusteella suositeltavimmat riskinhallintatoimet tulevaisuudessa ovat sahalla sijaitseva kunnostuspumppaus, sahan ja vedenottamon väliin sijoittuva suojapumppaus- ja vesiverhoyhdistelmä sekä sahan rannan kautta tapahtuvan rantaimeytymisen estäminen.