Large-eddy simulation of wind flows over complex terrains for wind energy applications

Wind energy has obtained outstanding expectations due to risks of global warming and nuclear energy production plant accidents. Nowadays, wind farms are often constructed in areas of complex terrain. A potential wind farm location must have the site thoroughly surveyed and the wind climatology analyzed before installing any hardware. Therefore, modeling of Atmospheric Boundary Layer (ABL) flows over complex terrains containing, e.g. hills, forest, and lakes is of great interest in wind energy applications, as it can help in locating and optimizing the wind farms. Numerical modeling of wind flows using Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a popular technique during the last few decades. Due to the inherent flow variability and large-scale unsteadiness typical in ABL flows in general and especially over complex terrains, the flow can be difficult to be predicted accurately enough by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Large- Eddy Simulation (LES) resolves the largest and thus most important turbulent eddies and models only the small-scale motions which are more universal than the large eddies and thus easier to model. Therefore, LES is expected to be more suitable for this kind of simulations although it is computationally more expensive than the RANS approach. With the fast development of computers and open-source CFD software during the recent years, the application of LES toward atmospheric flow is becoming increasingly common nowadays. The aim of the work is to simulate atmospheric flows over realistic and complex terrains by means of LES. Evaluation of potential in-land wind park locations will be the main application for these simulations. Development of the LES methodology to simulate the atmospheric flows over realistic terrains is reported in the thesis. The work also aims at validating the LES methodology at a real scale. In the thesis, LES are carried out for flow problems ranging from basic channel flows to real atmospheric flows over one of the most recent real-life complex terrain problems, the Bolund hill. All the simulations reported in the thesis are carried out using a new OpenFOAM® -based LES solver. The solver uses the 4th order time-accurate Runge-Kutta scheme and a fractional step method. Moreover, development of the LES methodology includes special attention to two boundary conditions: the upstream (inflow) and wall boundary conditions. The upstream boundary condition is generated by using the so-called recycling technique, in which the instantaneous flow properties are sampled on aplane downstream of the inlet and mapped back to the inlet at each time step. This technique develops the upstream boundary-layer flow together with the inflow turbulence without using any precursor simulation and thus within a single computational domain. The roughness of the terrain surface is modeled by implementing a new wall function into OpenFOAM® during the thesis work. Both, the recycling method and the newly implemented wall function, are validated for the channel flows at relatively high Reynolds number before applying them to the atmospheric flow applications. After validating the LES model over simple flows, the simulations are carried out for atmospheric boundary-layer flows over two types of hills: first, two-dimensional wind-tunnel hill profiles and second, the Bolund hill located in Roskilde Fjord, Denmark. For the twodimensional wind-tunnel hills, the study focuses on the overall flow behavior as a function of the hill slope. Moreover, the simulations are repeated using another wall function suitable for smooth surfaces, which already existed in OpenFOAM® , in order to study the sensitivity of the flow to the surface roughness in ABL flows. The simulated results obtained using the two wall functions are compared against the wind-tunnel measurements. It is shown that LES using the implemented wall function produces overall satisfactory results on the turbulent flow over the two-dimensional hills. The prediction of the flow separation and reattachment-length for the steeper hill is closer to the measurements than the other numerical studies reported in the past for the same hill geometry. The field measurement campaign performed over the Bolund hill provides the most recent field-experiment dataset for the mean flow and the turbulence properties. A number of research groups have simulated the wind flows over the Bolund hill. Due to the challenging features of the hill such as the almost vertical hill slope, it is considered as an ideal experimental test case for validating micro-scale CFD models for wind energy applications. In this work, the simulated results obtained for two wind directions are compared against the field measurements. It is shown that the present LES can reproduce the complex turbulent wind flow structures over a complicated terrain such as the Bolund hill. Especially, the present LES results show the best prediction of the turbulent kinetic energy with an average error of 24.1%, which is a 43% smaller than any other model results reported in the past for the Bolund case. Finally, the validated LES methodology is demonstrated to simulate the wind flow over the existing Muukko wind farm located in South-Eastern Finland. The simulation is carried out only for one wind direction and the results on the instantaneous and time-averaged wind speeds are briefly reported. The demonstration case is followed by discussions on the practical aspects of LES for the wind resource assessment over a realistic inland wind farm.

The reconstruction of social meaning in the space of flows

Artikkeli on alunperin julkaistu teoksessa: The informational city (1989) / Manuel Castells

Potassium channel KCNH2 K897T polymorphism and cardiac repolarization during exercise test: The Finnish Cardiovascular Study.

Scand J Clin Lab Invest. 2007 Aug 1;:1-11 [Epub ahead of print]

Channel Partner Program Benchmark

Tämän diplomityön tavoitteena on vertailla maailmanlaajuisen sähköalan yhtiön kanavapartneriohjelmaa yhtiön kilpailijoiden vastaaviin ohjelmiin, sekä laatia yhtiön käyttöön konkreettinen työkalu kanavapartneriohjelmien vertailua varten. Tavoitteena on myös tutkimuksessa kerätyn tiedon perusteella selvittää yhtiön kanavapartneriohjelman vahvuudet ja heikkoudet. Tässä diplomityössä tutkimusongelmaa on ensin tarkasteltu kirjallisuuden valossa, keskittyen kirjallisuuteen kilpailijavertailusta sekä jakelukanavista. Kilpailijavertailu, benchmark,on kuvattu tässä yhteydessä osana laadunhallintaa, painottaen yleisesti käytössä olevaa Campin 10 askeleen kilpailijavertailuprosessia. Tässä tutkimuksessa tarkasteltavat jakelukanavateoriat on jaoteltu kahteen osaan; jakelukanavan rakennetta käsitteleviin teorioihin sekä jakelukanavan hallintaa käsitteleviin teorioihin. Ensin mainitussa keskitytään lähinnä jakelukanavamalleihin ja -tyyppeihin, ja toisessa lähemmin partneri -käsitteeseen; kumppanuuteen, kanavapartnereihin ja kanavapartneriohjelmiin. Tavoitteena oli kerätä mahdollisimman tarkkaa ja ajankohtaista tietoa tutkimuksen kohteena olevien kilpailijayritysten kanavapartneriohjelmista. Tämä osoittautui varsin haastavaksi tehtäväksi. Tarpeeksi tietoa saatiin kuitenkin kerättyä sekä kirjallisuudesta että tehdyn kyselyn avulla, mikä mahdollisti alkuperäisenä tavoitteena olleen kilpailijavertailun sekä sen pohjalta tehdyt analyysit.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

Mass transfer and particleinteractions in granular systems and suspension flows

The purpose of this study was to investigate some important features of granular flows and suspension flows by computational simulation methods. Granular materials have been considered as an independent state ofmatter because of their complex behaviors. They sometimes behave like a solid, sometimes like a fluid, and sometimes can contain both phases in equilibrium. The computer simulation of dense shear granular flows of monodisperse, spherical particles shows that the collisional model of contacts yields the coexistence of solid and fluid phases while the frictional model represents a uniform flow of fluid phase. However, a comparison between the stress signals from the simulations and experiments revealed that the collisional model would result a proper match with the experimental evidences. Although the effect of gravity is found to beimportant in sedimentation of solid part, the stick-slip behavior associated with the collisional model looks more similar to that of experiments. The mathematical formulations based on the kinetic theory have been derived for the moderatesolid volume fractions with the assumption of the homogeneity of flow. In orderto make some simulations which can provide such an ideal flow, the simulation of unbounded granular shear flows was performed. Therefore, the homogeneous flow properties could be achieved in the moderate solid volume fractions. A new algorithm, namely the nonequilibrium approach was introduced to show the features of self-diffusion in the granular flows. Using this algorithm a one way flow can beextracted from the entire flow, which not only provides a straightforward calculation of self-diffusion coefficient but also can qualitatively determine the deviation of self-diffusion from the linear law at some regions nearby the wall inbounded flows. Anyhow, the average lateral self-diffusion coefficient, which was calculated by the aforementioned method, showed a desirable agreement with thepredictions of kinetic theory formulation. In the continuation of computer simulation of shear granular flows, some numerical and theoretical investigations were carried out on mass transfer and particle interactions in particulate flows. In this context, the boundary element method and its combination with the spectral method using the special capabilities of wavelets have been introduced as theefficient numerical methods to solve the governing equations of mass transfer in particulate flows. A theoretical formulation of fluid dispersivity in suspension flows revealed that the fluid dispersivity depends upon the fluid properties and particle parameters as well as the fluid-particle and particle-particle interactions.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Lämmönsiirron numeerinen laskenta profiloidulle kanavalle.

Työn tavoitteena oli tutkia aaltomaisen profiloinnin vaikutusta suorien jäähdytyskanavien lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Erilaisia profiileja oli kymmenen kappaletta ja ne olivat 5mm leveitä ja 30cm pitkiä kukin. Ne laskettiin kolmeulotteisina tapauksina FINFLO-virtausratkaisijalla kolmella eri Reynoldsin luvulla, jotka vastasivat laminaarista, osittain turbulenttista ja lähes kokonaan turbulenttista virtausta. Lämmönsiirtoaine oli kuiva +30°C ilma ja profiloinnin toteutustapa oli toisiaan sivuavat ympyräkaaret kolmella erilaisella säteen arvolla ja kolmella erilaisella aallonpituuden arvolla. Lisäksi laskettiin saman levyisen tasokanavan arvot jokaisella Reynoldsin luvulla kaksiulotteisina tapauksina. Näitä profiloimattomia kanavia pidettiin referenssitapauksina. Tuloksena havaittiin että profiloimalla saadaan yksiselitteisesti suurempi lämpöteho ulos samasta tilavuudesta. Lämmönsiirtokerroin kasvaa profiloinnin avulla parhaimmillaan n. 20% käytetystä turbulenssimallista tai lämmönsiirtokertoimen määritelmästä riippumatta. Painehäviö kasvaa myös aina, mutta kitkakerroin voi hieman pienentyä. Profiilin varsinaisena hyvyyskriteerinä pidettiin lämmönsiirtokertoimen ja kitkakertoimen suhdetta h/f. Se osoittautui riippuvaksi Reynoldsin luvusta ja turbulenssimallista; ASM ja Chien k-έ -mallit ennustavat transitioetäisyyden eri tavalla. Laminaarisilla virtauksilla h/f :n vaihtelu oli vähäistä; suhde vaihteli vain ±5% eri profiilien kesken. ASM-mallilla havaittiin sekundääripyörteilyä, ehkä siksi että se mallintaa anisotrooppisen turbulenssin. Chien k-έ malli ennusti suuremman ja aikaisemmin alkavan turbulenttisuuden kuin ASM. Lisäksi havaittiin mm. että tietyillä profiileilla muodostuu kanavan kapeimpaan kohtaan selvä virtausnopeuden paikallinen minimi seinämän läheisyyden takia.

Information and Material Flows in Project Business

Tavoitteena diplomityössä oli kuvata projektiliiketoimintaa harjoittavan yrityksen informaatio- ja materiaalivirrat toimitusprojekteissa. Selvitys haluttiin tehdä tulevia kehitysprojekteja varten. Diplomityö toteutettiin kahessa osassa: laatimalla aiheeseen liittyvä teoriakatsaus ja kartoittamalla todellinen tilanne yrityksen sisällä.Teoriaosassa kuvattiin tarkastelualue ja projektiliiketoiminnan erityispiirteitä sekä käsiteltiin tietojärjestelmiä ja materiaalivirran hallintaan liittyviä asioita. Yrityksen informaatio- ja materiaalivirtojen nykytila kartoitettiin laatimalla vuokaaviot kolmen esimerkkituotteen toimitusprojekteista. Kaaviot laadittiin yrityksen sisäisten dokumenttien ja kvalitatiivisten haastattelujen pohjalta. Kaavioiden sisältöä täydennettiin taulukoimalla kaavioissa esiintyvien dokumettien sisältöä. Työn tuloksena muodostui kuva tiedonkäsittelyn nykytilasta myynti- ja toimitusprojekteissa, pelkistetty visio tulevaisuuden tietojärjestelmien rooleista sekä ehdotuksia tulevia kehitysprojekteja varten.

Implementation of Customer Relationship Management system to support channel partners

Työn tavoitteena oli selvittää, kokevatko matkapuhelinalalla toimivat kanavapartnerit heitä varten suunnitellun asiakassuhdehallintajärjestelmän lisäarvopalveluna vaiko eivät. Työ toteutettiin asiakastyytyväisyystutkimuksen avulla, jossa mitattiin erilaisten partnereiden asennetta palvelua kohtaan. Työn tuloksena ilmeni, että palvelussa olevan informaation määrällä ei ollut suurta vaikutusta asiakkaiden tyytyväisyyteen. Syyt ovat pikemminkin yleisissä asenteissa vastaavia palveluja kohtaan.

Managing material flows and improving performance in a component supplier’s internal supply chain

Tämä diplomityö tehtiin osana Componenta Cast Componentsin kolmivuotista toimitusketjujen kehitysprojektia. Työn tavoitteena oli kuvata tyypillinen yrityksen sisäinen toimitusketjuprosessi ja tehdä alustava suorituskykyanalyysi valimon ja konepajan väliseen logistiseen prosessiin liittyen. Tarkoituksena oli myös löytää kehityskohteita materiaali- ja tietovirtojen hallinnassa näiden tuotantoyksiköiden välillä. Logistiikkaan, toimitusketjujen hallintaan ja toimitusketjun suorituskyvyn mittaamiseen liittyvän kirjallisuustutkimuksen sekä käytännön perusteella valittiin sopivat analyysimenetelmät. Näitä menetelmiä hyödynnettiin tilaustoimitus – prosessin kuvaamisessa sekä suorituskyvyn analysoinnissa yrityksen sisäisessä toimitusketjussa. Luonnollisena jatkona kehitettiin ja pantiin käytäntöön toimitusketjua synkronoiva imutyyppinen tuotannon- ja materiaalinohjausmenetelmä. Diplomityöprojektin aikana kehitettiin myös apuvälineet käyttöönotetun menetelmän asianmukaista hyödyntämistä varten. Diplomityöprojektissa otettiin ensimmäiset askeleet kohti integroitua sisäistä toimitusketjua. Uuden tuotannon- ja materiaalinohjausmenetelmän standardisointi muihin menetelmiin yhdistettynä, sekä toimitusketjun avainmittarien jatkokehitys on jo alkanut. Läpimenoaikoja lyhentämällä ja synkronoidun, läpinäkyvän kysyntä-tarjontaketjun avulla integroitumisen astetta voidaan nostaa edelleen. Poikkiorganisatorinen kehitys ja johtaminen toimitusketjussa on avainedellytys menestykseen.

Fiber flows in global paper and pulp industry. A panel data approach.

The purpose of this thesis is to study factors that explain the bilateral fiber trade flows. This is done by analyzing bilateral trade flows during 1990-2006. It will be studied also, whether there are differences between fiber types. This thesis uses a gravity model approach to study the trade flows. Gravity model is mostly used to study the aggregate data between trading countries. In this thesis the gravity model is applied to single fibers. This model is then applied to panel data set. Results from the regression show clearly that there are benefits in studying different fibers in separate. The effects differ considerably from each other. Furthermore, this thesis speaks for the existence of Linder’s effect in certain fiber types.

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

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