Numerical Investigation of Flow Past a Circular Cylinder and in a Staggered Tube Bundle Using Various Turbulence Models

Transitional flow past a three-dimensional circular cylinder is a widely studied phenomenon since this problem is of interest with respect to many technical applications. In the present work, the numerical simulation of flow past a circular cylinder, performed by using a commercial CFD code (ANSYS Fluent 12.1) with large eddy simulation (LES) and RANS (κ - ε and Shear-Stress Transport (SST) κ - ω! model) approaches. The turbulent flow for ReD = 1000 & 3900 is simulated to investigate the force coefficient, Strouhal number, flow separation angle, pressure distribution on cylinder and the complex three dimensional vortex shedding of the cylinder wake region. The numerical results extracted from these simulations have good agreement with the experimental data (Zdravkovich, 1997). Moreover, grid refinement and time-step influence have been examined. Numerical calculations of turbulent cross-flow in a staggered tube bundle continues to attract interest due to its importance in the engineering application as well as the fact that this complex flow represents a challenging problem for CFD. In the present work a time dependent simulation using κ – ε, κ - ω! and SST models are performed in two dimensional for a subcritical flow through a staggered tube bundle. The predicted turbulence statistics (mean and r.m.s velocities) have good agreement with the experimental data (S. Balabani, 1996). Turbulent quantities such as turbulent kinetic energy and dissipation rate are predicted using RANS models and compared with each other. The sensitivity of grid and time-step size have been analyzed. Model constants sensitivity study have been carried out by adopting κ – ε model. It has been observed that model constants are very sensitive to turbulence statistics and turbulent quantities.

Prediction of heat transfer on kraft recovery boiler

Työssä tutkittiin Andritz-Ahlstrom toimittamien soodakattiloiden lämmönsiirtoa ANITA 2.20- suunnitteluohjelmalla feedback- laskentaa apuna käyttäen. Data laskentaan saatiin kattiloiden takuukokeissa mitatuista arvoista. Mittaukset on suoritettiin Andritz-Ahlstromin henkilökunnan toimesta tehdashenkilökunnan avustuksella. Feedback -laskenta tapahtui mittaustulosten perusteella, joten tiettyä virhettä luonnollisesti esiintyi. Aluksi laskettiin taseet molempien ekojen yli erikseen sekä molemmat yhdessä Excel-taulukkolaskentaohjelmalla. Täältä saatiin oletettu savukaasuvirtaus kattilassa. Tämän jälkeen lämpöpintoja muokattiin todellisuutta vastaaviksi yleislikaisuuskerrointa muuttamalla (overall fouling factor). Kertoimet ovat liikkuivat noin 0.4 ja 1.6 välillä riipuen kattilan tyypistä ja ANITAn oletuksesta lämpöpintojen likaisuudelle. Havaittin että yhtä varsinaista syytä lämpöpintojen eroavaisuuteen oletetusta ei saatu. Syitä toiminnan poikkeamiseen oli monia. Mm. etukammion koolla havaittiin olevan suurtakin vaikutusta tulistimien, etenkin savukaasuvirrassa ensimmäisen tulistimen toimintaan. Yleisesti todettiin muiden tulistimien vastaavan oletettua toimintaa. Keittopinnan ja ekonomiserien toimintaa tutkittiin hivenen suppeammin ja havaittiin niiden toimivan huomattavasti stabiilimmin kuin tulistimien. Likaisuus kertoimet oletetusta vaihtelivat noin ±20 %.

Separation of Gas Bubbles from Circulation Waters and Pulp Suspensions in Open Channel Flow

The objective of this thesis was to study the removal of gases from paper mill circulation waters experimentally and to provide data for CFD modeling. Flow and bubble size measurements were carried out in a laboratory scale open gas separation channel. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to measure the gas and liquid flow fields, while bubble size measurements were conducted using digital imaging technique with back light illumination. Samples of paper machine waters as well as a model solution were used for the experiments. The PIV results show that the gas bubbles near the feed position have the tendency to escape from the circulation channel at a faster rate than those bubbles which are further away from the feed position. This was due to an increased rate of bubble coalescence as a result of the relatively larger bubbles near the feed position. Moreover, a close similarity between the measured slip velocities of the paper mill waters and that of literature values was obtained. It was found that due to dilution of paper mill waters, the observed average bubble size was considerably large as compared to the average bubble sizes in real industrial pulp suspension and circulation waters. Among the studied solutions, the model solution has the highest average drag coefficient value due to its relatively high viscosity. The results were compared to a 2D steady sate CFD simulation model. A standard Euler-Euler k-ε turbulence model was used in the simulations. The channel free surface was modeled as a degassing boundary. From the drag models used in the simulations, the Grace drag model gave velocity fields closest to the experimental values. In general, the results obtained from experiments and CFD simulations are in good qualitative agreement.

CFD Simulation of Two-phase and Three-phase Flows in Internal-loop Airlift

Airlift reactors are pneumatically agitated reactors that have been widely used in chemical, petrochemical, and bioprocess industries, such as fermentation and wastewater treatment. Computational Fluid Dynamics (CFD) has become more popular approach for design, scale-up and performance evaluation of such reactors. In the present work numerical simulations for internal-loop airlift reactors were performed using the transient Eulerian model with CFD package, ANSYS Fluent 12.1. The turbulence in the liquid phase is described using κ- ε the model. Global hydrodynamic parameters like gas holdup, gas velocity and liquid velocity have been investigated for a range of superficial gas velocities, both with 2D and 3D simulations. Moreover, the study of geometry and scale influence on the reactor have been considered. The results suggest that both, geometry and scale have significant effects on the hydrodynamic parameters, which may have substantial effects on the reactor performance. Grid refinement and time-step size effect have been discussed. Numerical calculations with gas-liquid-solid three-phase flow system have been carried out to investigate the effect of solid loading, solid particle size and solid density on the hydrodynamic characteristics of internal loop airlift reactor with different superficial gas velocities. It was observed that averaged gas holdup is significantly decreased with increasing slurry concentration. Simulations show that the riser gas holdup decreases with increase in solid particle diameter. In addition, it was found that the averaged solid holdup increases in the riser section with the increase of solid density. These produced results reveal that CFD have excellent potential to simulate two-phase and three-phase flow system.

Analysis and validation of space averaged drag model for numerical simulations of gas-solid flows in fluidized beds

This thesis presents an approach for formulating and validating a space averaged drag model for coarse mesh simulations of gas-solid flows in fluidized beds using the two-fluid model. Proper modeling for fluid dynamics is central in understanding any industrial multiphase flow. The gas-solid flows in fluidized beds are heterogeneous and usually simulated with the Eulerian description of phases. Such a description requires the usage of fine meshes and small time steps for the proper prediction of its hydrodynamics. Such constraint on the mesh and time step size results in a large number of control volumes and long computational times which are unaffordable for simulations of large scale fluidized beds. If proper closure models are not included, coarse mesh simulations for fluidized beds do not give reasonable results. The coarse mesh simulation fails to resolve the mesoscale structures and results in uniform solids concentration profiles. For a circulating fluidized bed riser, such predicted profiles result in a higher drag force between the gas and solid phase and also overestimated solids mass flux at the outlet. Thus, there is a need to formulate the closure correlations which can accurately predict the hydrodynamics using coarse meshes. This thesis uses the space averaging modeling approach in the formulation of closure models for coarse mesh simulations of the gas-solid flow in fluidized beds using Geldart group B particles. In the analysis of formulating the closure correlation for space averaged drag model, the main parameters for the modeling were found to be the averaging size, solid volume fraction, and distance from the wall. The closure model for the gas-solid drag force was formulated and validated for coarse mesh simulations of the riser, which showed the verification of this modeling approach. Coarse mesh simulations using the corrected drag model resulted in lowered values of solids mass flux. Such an approach is a promising tool in the formulation of appropriate closure models which can be used in coarse mesh simulations of large scale fluidized beds.

Kromatografisen erotusfaasin huokoskoon karakterisointi

Työssä tutkittiin sulfonoitujen polystyreenidivinyylibentseenirunkoisten geeli-, meso- ja makrohuokoistenioninvaihtohartsien rakennetta käyttäen useita eri karakterisointimenetelmiä. Lisäksi työssä tutkittiin hartsien huokoskoon vaikutusta aminohappojen kromatografisessa erotuksessa. Työn pääpaino oli hartsien huokoskoon ja huokoisuuden määrittämisessä. Sen selvittämiseksi käytettiin hyväksi elektronimikroskopiaa, typpiadsorptiomittauksia, sekä käänteistä kokoekskluusiokromatografiaa. Parhaat tulokset saatiin käänteisellä kokoekskluusiokromatografialla, joka perustuu erikokoisten dekstraanipolymeerien käyttöön mallimolekyyleinä. Menetelmä sopii meso- ja makrohuokoisuuden tutkimiseen, mutta sen heikkoutena on erittäin pitkä mittausaika. Menetelmä antaa myös huokoskokojakauman, mutta yhden hartsin mittaaminen voi kestää viikon. Menetelmää muutettiin siten, että käytettiin määritettävää huokoskokoaluetta kuvaavien kahden dekstraanipolymeerin seosta. Kromatografiset ajo-olosuhteet optimoitiin sellaisiksi, että injektoidussa seoksessa olevien dekstraanien vastehuiput erottuivat toisistaan. Tällöin voitiin luotettavasti määrittää tutkittavan stationaarifaasin suhteellinen huokoisuus. Tätä työssä kehitettyä nopeaa käänteiseen kokoekskluusiokromatografiaan perustuvaa menetelmää kutsutaan kaksipistemenetelmäksi. Hartsien sulfonihapporyhmien määrää ja jakautumista tutkittiin määrittämällä hartsien kationinvaihtokapasiteetti sekä tutkimalla hartsin pintaa konfokaali-Raman-spektroskopian avulla. Sulfonihapporyhmien ioninvaihtokyvyn selvittämiseksi mitattiin K+-muotoon muutetusta hartsista S/K-suhde poikkileikkauspinnasta. Tulosten perusteella hartsit olivat tasaisesti sulfonoituneet ja 95 % rikkiatomeista oli toimivassa ioninvaihtoryhmässä. Aminohappojen erotuksessa malliaineina oli lysiini, seriini ja tryptofaani. Hartsi oli NH4+-muodossa ja petitilavuus oli 91 mL. Eluenttina käytettiin vettä, jonka pH oli 10. Paras tulos saatiin virtausnopeudella 0,1 mL/min, jolla kaikki kolme aminohappoa erottuivat toisistaan Finex Oy:n mesohuokoisella KEF78-hartsilla. Muilla tutkituilla hartseilla kaikki kolme aminohappoa eivät missään ajo-olosuhteissa erottuneet täysin.

Kuitupuun tehdaslogistiikka ja sen kustannukset eräässä metsäteollisuusyrityksessä

Jotta pystytään vastaamaan kehittyneen prosessiteollisuuden tuotannon asettamiin haasteisiin, on myös tärkeää kehittää koko puuraaka-aineen hankintaa. Ohjailemalla raaka-ainevirtoja oikein on mahdollista säästää kustannuksissa ja näin saavuttaa kilpailuetua. Tämän työn tarkoituksena on toimenpide-ehdotuksia löytämällä pyrkiä huolehtimaan vaadittavasta raaka-ainetarpeesta alhaisimmilla logistisilla kustannuksilla. Päätavoitteena on tutkia puunkäsittelystä aiheutuvia kustannuksia, keskittyen tehdasalueen operaatioihin. Ensimmäisessä osassa tutkimus sisältää yleistä asiaa puunhankinnasta ja puukuljetuksista. Tutkimuksessa esitellään myös kuljetusmuotojen erikoisuuksia kohdeyrityksen osalta. Ensimmäisessä osassa käsitellään lisäksi raaka-aineen alkuperää ja sen varastointikeinoja.Tutkimuksen empiirinen osuus muodostuu kolmesta eri osasta: 1) Minkälaisista osista logistiset kustannukset rakentuvat. 2) Mitkä ovat häiriötekijät ja minkälaisia kustannuksia ne aiheuttavat. 3) Mitkä ovat puunhankinnan kausivaihtelun vaikutukset raaka-ainevirtoihin ja tehdasvarastoihin. Tutkimusmenetelminä on käytetty sekä haastatteluja että seurantajaksoja. Lopussa on kustannusvertailutaulukko ja parannusehdotuksia, joita voidaan hyödyntää esim. kun pohditaan puuhuoltoon liittyviä tulevaisuuden skenaarioita.

Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetus proomukalustolla

Metsäpolttoaineiden käyttö kasvaa lämpö- ja voimalaitoksissa ja mahdollisissa biojalostamoissa. Metsäpolttoaineilla voidaan saavuttaa päästövähennyksiä korvaamalla päästöintensiivisempiä polttoaineita. Metsäpolttoaineen kysynnän kasvu suurkäyttöpaikoilla luo uusia vaatimuksia metsäbiomassan hankintaan. Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetuksen sisältämiä logistiikkajärjestelmiä kehittämällä toimitusvarmuutta pystytään parantamaan ja hankintaa laajentamaan kustannustehokkaasti ja ympäristöystävällisesti. Kuljetuskokeilut antoivat uutta tietoa vesitiekuljetuksen sisältämästä hankinnasta. Lastikapasiteetti nykyisen kaltaisessa Eurooppa IIa -suurproomussa vaihtelee 1200 tonnista jopa 1800 tonniin (kosteus 40 %) riippuen tiivistymisestä ja proomun modifiointiasteesta. Metsähakkeen energiatiheys oli suurproomukuljetuksissa keskimäärin 1 MWh/i-m3, joka oli 25 % parempi kuin vertailun hakerekkakuljetuksissa. Vesitiekuljetuksen kustannukset olivat kuljetuskokeiluissa lastauksineen ja purkuineen 0,02 €/MWh/km, ollen noin 20 % ketjun kokonaiskustannuksista. Simuloinnin edullisimpien vesitiekuljetusvaihtoehtojen vaihteluvälin kustannukset olivat vastaavasti 0,013 - 0,026 €/MWh/km. Lastauksen ja purun kustannus oli 0,4 - 0,6 €/MWh ja vesitiekuljetus 0,9 - 2,0 €/MWh (100 km). Ketjun kokonaiskustannukset hakkuutähdehakkeelle vaihtelivat simuloinnin edullisimpien vaihtoehtojen perusteella välillä 10,8 - 12,1 €/MWh (30 km rekka, 100 km proomu). Kuljetusketjujen simuloinnin kustannukset osoittivat proomukuljetusketjun olevan kilpailukykyinen vaihtoehto hakerekkakuljetusketjulle kalustosta ja vuosittaisista käyttötunneista riippuen kuljetusetäisyyden ylittäessä 100 km. Kustannustehokkain ratkaisu vesitiekuljetuksessa saavutettiin pienen aluksen ja suuren kokoluokan proomuyksikön kytkyeellä. Haketus kannattaa toteuttaa ennen proomukuljetuksen osuutta metsähakkeen paremman tiiviyden ja käsiteltävyyden perusteella. Logistiikkajärjestelmiä pitää kehittää tapauskohtaisesti käyttöpaikan tarpeet ja olosuhteet huomioon ottaen. Metsäpolttoaineiden vesitiekuljetuksen sisältämän logistiikan liiketoimintamallien vertailussa arvioitiin vaihtoehtoiset ulkoistetut toimintamallit paremmaksi kuin nykyinen urakointimalli. Tämä mahdollistaa paremman metsähakkeen saatavuuden ja logistiikan tehokkuuden lastausterminaaleissa. Terminaalitoiminnot ja proomukuljetukset lisäävät uusia liiketoimintamahdollisuuksia ja mahdollistavat metsäpolttoaineiden

Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytilan määritys sekä kehittämissuunnitelma käyttövarmuuden näkökulmasta

Tämän työn tavoitteena on analysoida Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvittää verkon kehittämisen suuntaviivoja. Nykytilan määrityksessä selvitetään kuormitettavuusasteet, jännitteenalenemat, häviöt oiko- ja maasulkusuojauksen toimivuus sekä keskeytyskustannukset. Nykytilan määrityksen apuna käytettiin verkkotietojärjestelmä Xpowerin tehojako-, oikosulku- ja maasulkulaskentoja. Nykytila on määritetty sekä normaalissa kytkentätilanteessa, että tilanteessa jossa yksi sähköasema kerrallaan on poissa käytöstä. Nykytilan määrityksen perusteella voidaan todeta, että normaalissa kytkentätilanteessa keskijänniteverkko täyttää suurilta osin sille asetetut tekniset reunaehdot, jotka ovat jännitteenalenema, kuormitettavuus, oikosulkukestoisuus sekä oiko- ja maasulkusuojauksen havahtuvaisuus. Jotta reunaehdot toteutuisivat kokonaisuudessaan, tulee oikosulkukestottomien lähtöjen releasetteluja muuttaa tai vaihtaa oikosulkukestottomat johto-osuudet suurempi poikkipintaiseen johtimeen. Nykytilan määrityksen perusteella neljän päämuuntajan kuormitettavuusaste on yli 90 %, joten näiden asemien alueiden kehitystä tulee tarkkailla. Sähköasemien korvaustarkastelun perusteella viiden sähköaseman korvaus tuottaa ongelmia jo nykyisillä huippukuormilla. Työssä tehtyjen selvitystöiden perusteella Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkkoon lisättiin 10 maastokatkaisijaa sekä selvitettiin verkon mahdollisia tulevaisuuden kehittämisen suuntaviivoja.

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.

Tutkimustulosten jalkauttamismenettelyjen kehittäminen pk-yrityksille

Yliopistojen tutkimustulosten hyödyntämisen merkitys on kasvanut viime vuosina Suomessa erityisesti yliopistolakimuutosten myötä. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia teoreettisesti kirjallisuuden avulla yliopiston tutkimustulosten jalkauttamista ja jalkauttamismenetelmiä sekä perehtyä erilaisiin yliopiston tutkimusprojekteihin. Tässä työssä muodostetaan käsitys erilaisista yliopiston tutkimusprojekteista ja luodaan tutkimusprojektikategoriat erilaisten rahoittajatahojen, kuten EU:n, Tekesin ja Suomen Akatemian, strategisiin linjauksiin perustuen. Lisäksi tässä diplomityössä selvitetään kuhunkin tutkimusprojektikategoriaan soveltuvat jalkauttamismenetelmät kirjallisuuden havaintojen avulla ja muodostetaan näin viitekehys tutkimustulosten jalkauttamiselle. Muodostettua viitekehystä sovelletaan tutkittavassa tapauksessa, jonka tutkimustulosten jalkauttamisprosessiin ja menettelyyn perehdytään tapaustutkimuksen periaatteiden mukaisesti. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että erityisesti epämuodolliset jalkauttamismenetelmät eli menetelmät, jotka eivät vaadi virallisia sopimussuhteita, kuten verkostojen hyödyntäminen, seminaarit, julkaisut ja tutkimustulosten tiivistelmät, ovat sovellettavissa lähes kaikissa yliopiston tutkimusprojekteissa. Lisäksi epämuodollisia jalkauttamismenetelmiä suositellaan käytettäväksi yhtäaikaisesti muodollisten jalkauttamismenetelmien kanssa, kuten esimerkiksi yhteistoimintatutkimuksen, lisensoinnin ja sopimustutkimuksen, jotta tutkimustulokset voidaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti. Epämuodollisten menetelmien merkitys korostuu erityisesti, kun hyödyntävänä tahona on pk-yritys. Pk-yritykset asettavat vaatimuksia jalkauttamismenetelmille sekä kokonsa ja resurssiensa puolesta että haavoittuvuudellaan toimintaympäristön äkkinäisille muutoksille, mikä havaittiin myös tutkitussa tapauksessa. Tutkittu tapaus vahvisti teoreettista viitekehystä. Huomionarvoista tutkitussa tapauksessa oli niin sanotun välittäjäorganisaation käyttö yliopiston ja yritysten välillä, mitä voidaan suositella käytettäväksi erityisesti, kun tavoitteena on jalkauttaa yliopiston tutkimustuloksia pk-yrityksille. Välittäjäorganisaatio kuroo umpeen yliopiston ja pk-yritysten välillä havaittavaa kuilua.

Influence of reactant absorption and dissolution in heterogeneous precipitation processes

In this research work, the aim was to investigate the volumetric mass transfer coefficient [kLa] of oxygen in stirred tank in the presence of solid particle experimentally. The kLa correlations as a function of propeller rotation speed and flow rate of gas feed were studied. The O2 and CO2 absorption in water and in solid-liquid suspensions and heterogeneous precipitation of MgCO3 were thoroughly examined. The absorption experiments of oxygen were conducted in various systems like pure water and in aqueous suspensions of quartz and calcium carbonate particles. Secondly, the precipitation kinetics of magnesium carbonate was also investigated. The experiments were performed to study the reactive crystallization with magnesium hydroxide slurry and carbon dioxide gas by varying the feed rates of carbon dioxide and rotation speeds of mixer. The results of absorption and precipitation are evaluated by titration, total carbon (TC analysis), and ionic chromatrography (IC). For calcium carbonate, the particle concentration was varied from 17.4 g to 2382 g with two size fractions: 5 µm and 45-63 µm sieves. The kLa and P/V values of 17.4 g CaCO3 with particle size of 5µm and 45-63 µm were 0.016 s-1 and 2400 W/m3. At 69.9 g concentration of CaCO3, the achieved kLa is 0.014 s-1 with particle size of 5 µm and 0.017 s-1 with particle size of 45 to 63 µm. Further increase in concentration of calcium carbonate, i.e. 870g and 2382g , does not affect volumetric mass transfer coeffienct of oxygen. It could be concluded from absorption results that maximum value of kLa is 0.016 s-1. Also particle size and concentration does affect the transfer rate to some extend. For precipitation experiments, the constant concentration of Mg(OH)2 was 100 g and the rotation speed varied from 560 to 750 rpm, whereas the used feed rates of CO2 were 1 and 9 L/min. At 560 rpm and feed rate of CO2 is 1 L/min, the maximum value of Mg ion and TC were 0.25 mol/litre and 0.12 mol/litre with the residence time of 40 min. When flow rate of CO2 increased to 9 L/min with same 560 rpm, the achieved value of Mg and TC were 0.3 mol/litre and 0.12 mol/L with shorter residence time of 30 min. It is concluded that feed rate of CO2 is dominant in precipitation experiments and it has a key role in dissociation and reaction of magnesium hydroxide in precipitation of magnesium carbonate.

Yliopiston sähköverkon mallintaminen

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii älykkäiden sähköverkkojen kehittämistä. Yliopisto on hankkinut sähköverkkoonsa tuuliturbiinin ja aurinkopaneeleita, joilla pystytään tuottamaan sähköenergiaa sähköverkkoon. Näitä tuotantoja voidaan käyttää myös tutkimuksessa. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli yliopiston sähköverkosta Matlab® Simulink® -ohjelmalla. Simulaatiomalliin mallinnetaan yliopiston sisäinen keskijänniteverkko ja osa pienjänniteverkosta. Simulaatiomalli toteutetaan ohjelman valmiilla komponenteilla, joihin lasketaan tarvittavat parametrit. Tuuliturbiinin ja aurinkopaneelien sähköntuotantotehot määritetään säätiladatojen avulla. Verkon komponenteille lasketaan arvot komponenttien tyyppitietojen perusteella ja asetetaan simulaatiomallin parametreiksi. Simulaatiomalli luodaan yliopiston sisäisen verkon tehonjaon tarkastelemiseksi. Työssä selvitetään myös mahdollisuuksia luodun simulaatiomallin käyttämiseen vikatilanteiden tarkastelussa.

Unequal Teeth Widths for Torque Ripple Reduction in Permanent Magnet Synchronous Machines With Fractional-Slot Non-Overlapping Windings

Permanent magnet synchronous machines with fractional-slot non-overlapping windings (FSPMSM), also known as tooth-coil winding permanent magnet synchronous machines (TCW PMSM), have been under intensive research during the latest decade. There are many optimization routines explained and implemented in the literature in order to improve the characteristics of this machine type. This paper introduces a new technique for torque ripple minimization in TCW PMSM. The source of torque harmonics is also described. The low order torque harmonics can be harmful for a variety of applications, such as direct drive wind generators, direct drive light vehicle electrical motors, and for some high precision servo applications. The reduction of the torque ripple harmonics with the lowest orders (6th and 12th) is realized by machine geometry optimization technique using finite element analysis (FEA). The presented optimization technique includes the stator geometry adjustment in TCW PMSMs with rotor surface permanent magnets and with rotor embedded permanent magnets. Influence of the permanent magnet skewing on the torque ripple reduction and cogging torque elimination was also investigated. It was implemented separately and together with the stator optimization technique. As a result, the reduction of some torque ripple harmonics was attained.

Coolability of porous core debris beds : Effects of bed geometry and multi-dimensional flooding

This thesis addresses the coolability of porous debris beds in the context of severe accident management of nuclear power reactors. In a hypothetical severe accident at a Nordic-type boiling water reactor, the lower drywell of the containment is flooded, for the purpose of cooling the core melt discharged from the reactor pressure vessel in a water pool. The melt is fragmented and solidified in the pool, ultimately forming a porous debris bed that generates decay heat. The properties of the bed determine the limiting value for the heat flux that can be removed from the debris to the surrounding water without the risk of re-melting. The coolability of porous debris beds has been investigated experimentally by measuring the dryout power in electrically heated test beds that have different geometries. The geometries represent the debris bed shapes that may form in an accident scenario. The focus is especially on heap-like, realistic geometries which facilitate the multi-dimensional infiltration (flooding) of coolant into the bed. Spherical and irregular particles have been used to simulate the debris. The experiments have been modeled using 2D and 3D simulation codes applicable to fluid flow and heat transfer in porous media. Based on the experimental and simulation results, an interpretation of the dryout behavior in complex debris bed geometries is presented, and the validity of the codes and models for dryout predictions is evaluated. According to the experimental and simulation results, the coolability of the debris bed depends on both the flooding mode and the height of the bed. In the experiments, it was found that multi-dimensional flooding increases the dryout heat flux and coolability in a heap-shaped debris bed by 47–58% compared to the dryout heat flux of a classical, top-flooded bed of the same height. However, heap-like beds are higher than flat, top-flooded beds, which results in the formation of larger steam flux at the top of the bed. This counteracts the effect of the multi-dimensional flooding. Based on the measured dryout heat fluxes, the maximum height of a heap-like bed can only be about 1.5 times the height of a top-flooded, cylindrical bed in order to preserve the direct benefit from the multi-dimensional flooding. In addition, studies were conducted to evaluate the hydrodynamically representative effective particle diameter, which is applied in simulation models to describe debris beds that consist of irregular particles with considerable size variation. The results suggest that the effective diameter is small, closest to the mean diameter based on the number or length of particles.