Stellar population synthesis: the effect of improved Asymptotic Giant Branch models and of interstellar dust on mass-to-light–color relations

Teoreettisen populaatiosynteesin avulla voidaan mallintaa tähtijoukkojen ja galaksien fotometrisiä ominaisuuksia yhdistämällä yksittäisten tähtien tuottama säteily, joka saadaan teoreettisista tähtien kehitysmalleista. Valitsemalla sopiva massajakauma syntyville tähdille voidaan muodostaa yksinkertainen tähtipopulaatio, joka koostuu saman ikäisistä ja kemialliselta koostumukseltaan yhtenäisistä tähdistä. Monimutkaisempia tähtipopulaatioita voidaan muodostaa konvoloimalla yksinkertaisten tähtipopulaatioiden luminositeetti jonkin valitun tähtienmuodostushistorian kanssa sekä yhdistämällä näin muodostettuja populaatioita. Tässä työssä tarkastellaan asymptoottisen jättiläishaaran (AGB) tähtien uusien, tarkentuneiden evoluutiomallien vaikutusta populaatiosynteesin tuloksiin niin yksinkertaisten tähtipopulaatioiden kuin galaksien mallinnukseen soveltuvien monimutkaisempien tähtipopulaatioiden kohdalla. Työn päätarkoitus on tuottaa uudistuneisiin malleihin perustuvat populaation massa-luminositeetti -suhteen ja värin väliset relaatiot (MLC-relaatiot). MLC-relaatioita voidaan käyttää populaation massan määrittämiseen sen fotometristen ominaisuuksien (väri, luminositeetti) perusteella. Lisäksi tutkitaan tähtienvälisen pölyn vaikutusta yksinkertaisen spiraaligalaksimallin MLC-relaatioihin. Työssä käytetyt tähtien kehitysmallit perustuvat julkaisuun Marigo et al. (Astronomy & Astrophysics 482, 2008). Havaitaan, että AGB-tähtien vaikutus populaation integroituun luminositeettiin on pieni näkyvillä aallonpituuksilla, mutta merkittävä lähi-infrapuna-alueella. Vaikutus MLC-relaatioihin on vastaavasti merkittävä tarkkailtaessa luminositeettia lähi-infrapunassa sekä käytettäessä värejä, joissa yhdistetään optisia ja lähi-infrapunan kaistoja. Todetaan, että MLC-relaatioiden käyttö lähi-infrapunassa edellyttää tarkentuneen AGB-vaiheen sisällyttämistä populaatiosynteesin malleihin. Tähtienvälisen pölyn vaikutus MLC-relaatioihin todetaan riippuvan käytetystä kaistasta ja väristä, mutta vaikutuksen havaitaan olevan suurin optisen ja lähi-infrapunan väriyhdistelmillä.

Effect of hydrodynamics on modelling, monitoring and control of crystallization

Crystallization is a purification method used to obtain crystalline product of a certain crystal size. It is one of the oldest industrial unit processes and commonly used in modern industry due to its good purification capability from rather impure solutions with reasonably low energy consumption. However, the process is extremely challenging to model and control because it involves inhomogeneous mixing and many simultaneous phenomena such as nucleation, crystal growth and agglomeration. All these phenomena are dependent on supersaturation, i.e. the difference between actual liquid phase concentration and solubility. Homogeneous mass and heat transfer in the crystallizer would greatly simplify modelling and control of crystallization processes, such conditions are, however, not the reality, especially in industrial scale processes. Consequently, the hydrodynamics of crystallizers, i.e. the combination of mixing, feed and product removal flows, and recycling of the suspension, needs to be thoroughly investigated. Understanding of hydrodynamics is important in crystallization, especially inlargerscale equipment where uniform flow conditions are difficult to attain. It is also important to understand different size scales of mixing; micro-, meso- and macromixing. Fast processes, like nucleation and chemical reactions, are typically highly dependent on micro- and mesomixing but macromixing, which equalizes the concentrations of all the species within the entire crystallizer, cannot be disregarded. This study investigates the influence of hydrodynamics on crystallization processes. Modelling of crystallizers with the mixed suspension mixed product removal (MSMPR) theory (ideal mixing), computational fluid dynamics (CFD), and a compartmental multiblock model is compared. The importance of proper verification of CFD and multiblock models is demonstrated. In addition, the influence of different hydrodynamic conditions on reactive crystallization process control is studied. Finally, the effect of extreme local supersaturation is studied using power ultrasound to initiate nucleation. The present work shows that mixing and chemical feeding conditions clearly affect induction time and cluster formation, nucleation, growth kinetics, and agglomeration. Consequently, the properties of crystalline end products, e.g. crystal size and crystal habit, can be influenced by management of mixing and feeding conditions. Impurities may have varying impacts on crystallization processes. As an example, manganese ions were shown to replace magnesium ions in the crystal lattice of magnesium sulphate heptahydrate, increasing the crystal growth rate significantly, whereas sodium ions showed no interaction at all. Modelling of continuous crystallization based on MSMPR theory showed that the model is feasible in a small laboratoryscale crystallizer, whereas in larger pilot- and industrial-scale crystallizers hydrodynamic effects should be taken into account. For that reason, CFD and multiblock modelling are shown to be effective tools for modelling crystallization with inhomogeneous mixing. The present work shows also that selection of the measurement point, or points in the case of multiprobe systems, is crucial when process analytical technology (PAT) is used to control larger scale crystallization. The thesis concludes by describing how control of local supersaturation by highly localized ultrasound was successfully applied to induce nucleation and to control polymorphism in reactive crystallization of L-glutamic acid.

Models for vertical wood density of Scots pine, Norway spruce and birch stems, and their application to determine average wood density

Abstract

Three mathematical models for bucking-to-order

Abstract

Analysis of Industrial Granular Flow Applications by Using Advanced Collision Models

Granular flow phenomena are frequently encountered in the design of process and industrial plants in the traditional fields of the chemical, nuclear and oil industries as well as in other activities such as food and materials handling. Multi-phase flow is one important branch of the granular flow. Granular materials have unusual kinds of behavior compared to normal materials, either solids or fluids. Although some of the characteristics are still not well-known yet, one thing is confirmed: the particle-particle interaction plays a key role in the dynamics of granular materials, especially for dense granular materials. At the beginning of this thesis, detailed illustration of developing two models for describing the interaction based on the results of finite-element simulation, dimension analysis and numerical simulation is presented. The first model is used to describing the normal collision of viscoelastic particles. Based on some existent models, more parameters are added to this model, which make the model predict the experimental results more accurately. The second model is used for oblique collision, which include the effects from tangential velocity, angular velocity and surface friction based on Coulomb's law. The theoretical predictions of this model are in agreement with those by finite-element simulation. I n the latter chapters of this thesis, the models are used to predict industrial granular flow and the agreement between the simulations and experiments also shows the validation of the new model. The first case presents the simulation of granular flow passing over a circular obstacle. The simulations successfully predict the existence of a parabolic steady layer and show how the characteristics of the particles, such as coefficients of restitution and surface friction affect the separation results. The second case is a spinning container filled with granular material. Employing the previous models, the simulation could also reproduce experimentally observed phenomena, such as a depression in the center of a high frequency rotation. The third application is about gas-solid mixed flow in a vertically vibrated device. Gas phase motion is added to coherence with the particle motion. The governing equations of the gas phase are solved by using the Large eddy simulation (LES) and particle motion is predicted by using the Lagrangian method. The simulation predicted some pattern formation reported by experiment.

Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

The Effect of Load Follow Operation on Fuel Behaviour in Loviisa NPP

Työn tarkoituksena oli analysoida polttoainesauvojen käyttäytymistä Loviisan ydinvoimalaitoksen tehonsäätöajossa. Sähkömarkkinoiden vapautuminen Pohjoismaissa sekä tämän seurauksena vaihteleva sähkön markkinahinta ovat ajaneet sähkötuottajat tilanteeseen, jossa tuotanto aiempaa enemmän mukautuu markkinatilanteeseen. Näin ollen myös Loviisan ydinvoimalaitoksen osallistuminen sähkön tuotannon säätelyyn saattaa tulevaisuudessa olla ajankohtaista. Ennen kuin reaktorin tehonsäätöajoa voidaan alkaa toteuttaa, tulee varmistua siitä, että polttoainesauvassa tehonsäätöjen seurauksena tapahtuvat muutokset eivät aiheuta epäsuotuisia käyttäytymisilmiöitä. Työssä tarkastellaan kahden Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainetoimittajan, British Nuclear Fuels plc:n ja venäläisen TVEL:n ensinippujen polttoainesauvan käyttäytymistä tehonsäätötapauksissa. Työssä tarkastellut tehonsäätötapaukset on pyritty valitsemaan niin, että ne kuvaisivat tulevaisuudessa mahdollisesti toteutettavia tehonsäätöjä. Laskentatapauksien sauvatehohistoriat on generoitu HEXBU-3D sydänsimulaattoriohjelmalla lasketun nelivuotisen perustehohistorian pohjalta lisäämällä säätösauvan aiheuttama reaktoritehon muutos, säätösauvan viereisen polttoainenipun aksiaalitehon muutos sekä säätösauvan rakenteen aiheuttama paikallinen tehopiikki säätösauvan vieressä. Työssä tarkastellaan tehonsäätöjen toteuttamista eri tehotasoille ja vaihtelevilla määrillä tehonsäätösyklejä. Työssä käsitellyt laskentatapaukset on jaoteltu reaktorin ajotavan mukaan seuraavasti: peruskuorma-ajo, viikonloppusäätö ja päiväsäätö. Laskenta suoritettiin ydinpolttoaineen käyttäytymistä kuvaavaa ENIGMA-B 7.3.0 ohjelmaa apuna käyttäen. Laskelmien tulokset osoittavat, että molempien polttoainetoimittajien ensinippujen sauvat kestävät reaktorin tehonsäätöajoa rajoituksetta tarkastelluissa laskentatapauksissa. ENIGMA-ohjelman sisältämät mallit, jotka ennustavat polttoainesauvan suojakuoren vaurioitumistodennäköisyyden jännityskorroosion tai väsymismurtuman kautta, eivät näytä mitään merkkejä vaurioitumisesta. BNFL:n polttoainesauva saavuttaa kuitenkin suurempia väsymismurtumatodennäköisyyden arvoja. Tämä johtuu siitä, että polttoainepelletin ja suojakuoren välinen mekaaninen vuorovaikutus syntyy BNFL:n sauvassa aikaisemmin, joka taas johtaa suurempaan määrään sauvaa rasittavia muodonmuutoksia tehonnostotilanteissa. TVEL:n Zr1%Nb -materiaalista valmistetun suojakuoren käyttäytymistä ei voida kuitenkaan suoraan näiden laskujen perusteella arvioida, sillä ENIGMA-ohjelman mallit perustuvat Zircaloy-suojakuorimateriaaleilla suoritettuihin kokeisiin.

Effect of competitive situation and price on diffusion of mobile communications

Työn päätavoitteena oli selvittää hinnan ja kilpailutilanteen vaikutusta matkaviestinnän diffuusioon. Työn empiirinen osuus tarkasteli matkapuhelinliittymien hinnan vaikutusta liittymien diffuusioon sekä sitä, miten alan kilpailu on vaikuttanut matkaviestinnän hintatasoon. Työssä analysoitiin myös matkaviestinnän kilpailutilannetta Suomen markkinoilla. Tutkimuksen empiirinen aineisto kerättiin toissijaisista lähteistä, esimerkiksi EMC-tietokannasta. Tutkimus oli luonteeltaan kvantitatiivinen.Empiirisessä osassa käytetyt mallit oli muodostettu aikaisempien tutkimuksien perusteella. Regressioanalyysiä käytettiin arvioitaessa hinnan vaikutusta diffuusionopeuteen ja mahdollisten omaksujien määrään. Regressioanalyysissä sovellettiin ei-lineaarista mallia.Tutkimustulokset osoittivat, että tasaisesti laskevilla matkapuhelinliittymien sekä matkapuhelimien hinnoilla ei ole merkittävää vaikutusta matkaviestinnän diffuusioon. Myöskään kilpailutilanne ei ole vaikuttanut paljon matkaviestinnän yleiseen hintatasoon. Työn tulosten perusteella voitiin antaa myös muutamia toimenpide-ehdotuksia jatkotutkimuksia varten.

Cumulative Costs of Caries Prevention and Treatment in Children - with Special Reference to Work Division and Cohort Effect

Lapsen karieshoidon kustannuskertymän muutokset ja karieshoidon toimintakäytäntöjen yhteys kustannuksiin Tutkimuksen tavoitteena oli mitata terveyskeskuksessa hoidettavien lasten karieshoidon kumulatiivisia kustannuksia ja verrata niitä kahden erilaisen toimintatavan välillä. Lisäksi tarkasteltiin lasten hampaiden terveyttä. Tutkimus tehtiin julkisen palvelutuottajan näkökulmasta. Tutkimusaineisto kerättiin Kemin ja Tornion terveyskeskusten suun terveydenhuollon potilaskertomuksista. Kemin kohortit 1980, 1983 ja 1986 (n = 600) ja Tornion kohortit 1980 ja 1992 (n = 400) edustivat perinteistä ja Kemin kohortit 1989, 1992 ja 1995 (n = 600) uutta toimintatapaa työnjaon ja ehkäisyn ajoituksen suhteen. Kohortteja ja kaupunkeja verrattiin hampaiden terveyden (dmft/DMFT = 0 ja dmft ja DMFT keskiarvot 5 ja 12 vuoden iässä) ja voimavarojen käytön suhteen. Panoskäyttö johdettiin käyntimäärien avulla laskennallisen työajan kautta. Kustannuskertymät muodostettiin käyttämällä henkilöstömenoista laskettuja suorittajakohtaisia yksikkökustannuksia. Panoskäytön ja yksikkökustannusten kautta muodostettiin kustannuskertymät. Kustannusten ja terveysvaikutusten suhteita arvioitiin kustannus-vaikuttavuusanalyysissä. Suuhygienistien työpanosta hyödyntävällä varhaisen ehkäisyn toimintamallilla saavutettiin vähäisemmin kustannuksin alle kouluiässä parempi ja kouluiässä yhtä hyvä hammasterveys kuin perinteisellä, enemmän hammaslääkärien työpanokseen perustuvalla tavalla. Karieksen hoitoon liittyvien käyntien määrä oli nuorimmissa syntymävuosikohorteissa pienempi kuin vanhimmissa kohorteissa. Käynnit hammaslääkärissä vähenivät eniten. Toimintatavalla oli merkittävä vaikutus lapsen karieshoidon kokonaiskustannuksiin. Herkkyysanalyysin mukaan karieshoidon kustannukset olivat työnjakoa hyödyntämällä kolmanneksen pienemmät, kuin jos hoidon suorittajana olisi ollut ainoastaan hammaslääkäri-hoitaja työpari. Lasten karieshoidon kustannusvaikuttavuus kohentui molemmissa terveyskeskuksissa nuoremmissa kohorteissa vanhempiin verrattuna. Suun terveydenhuollon potilaskertomuksia olisi hyödynnettävä toiminnan kehittämisessä. Varhaisen ehkäisyn avulla voitaisiin kaikkien suun terveydenhuollon ammattihenkilöiden työpanos kohdentaa kustannustehokkaasti.

Statistical Analysis and Numerics of Heat Exchanger Models

The identifiability of the parameters of a heat exchanger model without phase change was studied in this Master’s thesis using synthetically made data. A fast, two-step Markov chain Monte Carlo method (MCMC) was tested with a couple of case studies and a heat exchanger model. The two-step MCMC-method worked well and decreased the computation time compared to the traditional MCMC-method. The effect of measurement accuracy of certain control variables to the identifiability of parameters was also studied. The accuracy used did not seem to have a remarkable effect to the identifiability of parameters. The use of the posterior distribution of parameters in different heat exchanger geometries was studied. It would be computationally most efficient to use the same posterior distribution among different geometries in the optimisation of heat exchanger networks. According to the results, this was possible in the case when the frontal surface areas were the same among different geometries. In the other cases the same posterior distribution can be used for optimisation too, but that will give a wider predictive distribution as a result. For condensing surface heat exchangers the numerical stability of the simulation model was studied. As a result, a stable algorithm was developed.