Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Product placement in integrated marketing communications strategy

Perinteisten markkinointiviestintäkanavien menettäessä jatkuvasti tehoaan mediakentän ja kohderyhmien sirpaloituessa yhä pienempiin yksiköihin markkinointiorganisaatiot etsivät vaihtoehtoisia tapoja tavoittaakseen kohdeyleisönsä. Yksi vaihtoehtoinen markkinointiviestintäkeino on tuotesijoittelu (product placement), jossa (merkki)tuotteita sijoitetaan erilaisten viihdetuotantojen, kuten elokuvien, televisio-ohjelmien ja tietokonepelien, tarinan yhteyteen, jotta yhä medialukutaitoisempi kohdeyleisö ei pystyisi välttämään kaupallista viestiä esimerkiksi vaihtamalla televisiokanavaa tai kääntämällä lehden sivua. Koska tuote on sijoitettu kerrottavan tarinan sisään, markkinointiviestin — eli tuotteen havaitsemisen — välttäminen on huomattavasti vaikeampaa kuin perinteisten markkinointiviestintämenetelmien kohdalla. Lisäksi, sijoitellut tuotteet ovat tavallisesti kiinteässä yhteydessä tarinan juonen ja henkilöhahmojen kanssa siten, että tuote saa näistä yhteyksistä positiivista vahvistusta imagolleen. Pro Gradu-tutkielman tarkoituksena oli selvittää tuotesijoittelun käyttökelpoisuutta markkinointiviestinnässä sekä miten kulutushyödykemarkkinoijat voivat hyödyntää menetelmää markkinointiviestintästrategioissaan. Tuotesijoittelun poikkeava luonne markkinointiviestintävälineenä tuotti kysymyksen miten tuotesijoittelua voitaisiin hyödyntää yhteistyössä muiden markkinointiviestintäkeinojen kanssa. Tätä varten tutkimuksessa tuotesijoittelu yhdistettiin integroidun markkinointiviestinnän (IMC) viitekehykseen. IMC-konsepti syntyi markkinointiviestinnässä vastaamaan samaan tarpeeseen kuin tuotesijoittelukin: pirstaloitunut mediakenttä ja yksittäiset kohderyhmät vaativat kehittyneempää ja yhtenäisempää markkinointiviestinnän suunnittelua ja toteutusta. Tutkimuksen johtopäätöksenä tuotesijoittelu todettiin käyttökelpoiseksi markkinointiviestintäkeinoksi mikäli viestinnän tavoitteena on muu kuin tuotteen myyntiin suorasti vaikuttaminen. Tuotesijoittelu on sen sijaan erittäin tehokas tuotetietoisuuden lisäämisessä, erityisesti tunnistamisen kohdalla. Tuotesijoittelu voi myös tuottaa suoran ostotarpeen mutta tällöin viestin vastaanottajalla täytyy olla vallitseva tarve kyseisen tuoteryhmän osalta ennen altistumista ko. markkinointiviestille. Tuotesijoittelu voidaan sisällyttää IMC-suunnitteluprosessiin markkinointiviestintästrategian kiinteänä osana. Integraatio markkinointiviestinnässä siten, että tuotesijoittelua tuettaisiin muilla viestintäkeinoilla yhtenäisen kampanjan kehittämiseksi on kuitenkin paljon ennakoitua harvinaisempaa, johtuen ehkä eniten tuotesijoittelun poikkeuksellisesta luonteesta ja kyseisen viestintämuodon vaikeasta hallittavuudesta markkinoijan taholta. Tutkimus toteutettiin normatiivisena case-tutkimuksena pääasiassa sekundäärisiä tietolähteitä hyödyntäen. Case-tutkimuksia varten kerättiin primääristä tietoa kyselylomakkeella kahdesta tuotesijoittelua käyttävästä kansainvälisestä yhtiöstä, jonka lisäksi myös sekundäärisiä tietolähteitä hyödynnettiin case-osan tiedonkeruussa.

Tuotteen suunnitteluketjun tehostaminen 3D-ympäristössä

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa 3D-suunnittelujärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tavoitteena on arvioida uuden laitesuunnittelujärjestelmän vaikutuksia yrityksen tietojärjestelmiin ja toimintatapoihin sekä etsiä potentiaalisia tulevaisuuden kehityskohteita. Suunnittelutietoa hyödyntäviä sidosryhmien edustajia haastattelemalla selvitettiin järjestelmille ja ohjelmistoille asetettavia vaatimuksia. Ohjelmistoihin tutustumalla saatiin käsitys niiden nykytilasta ja kehityssuunnista. 3D-geometrian hyödyntämiseen perustuvilla järjestelmillä voidaan poistaa päällekäistä työtä sekä lyhentää läpimenoaikoja suunnittelussa ja valmistuksessa sijoittamalla työvaiheita rinnakkain. Suurimmat 3D-suunnittelun edut saavutetaan tuotekehitysvaiheessa, tuotemuutoksia tehtäessä sekä valmistusprosesseja suunniteltaessa. Ongelmallisimmat osa-alueet tietojärjestelmien kehittämisessä ovat ensi-sijaisesti tiedonsiirto ohjelmistojen välillä, työntekijöiden muutosvastarinta sekä laadukkaiden järjestelmien korkea hinta. Laajojen tietojärjestelmä-projektien läpivienti on hyvin haastavaa ja onnistuminen vaatii kaikkien sidosryhmien mukana olemista ja tarkkaa projektin koordinointia.

3D-tuoteyhdistelmämallien ja mittakuvien tuottaminen PDM-järjestelmästä

Tämä diplomityö on selvitystyö mittakuvien ja kolmiulotteisten CAD-mallien tuottamisesta. Mittakuvat ja 3D-CAD-mallit halutaan Neles-tuotemerkin omaaville tuotteille. Olennaisena osana työssä on tuotetiedonhallintajärjestelmä AtonPDM, koska mittakuvia ja malleja toivottaisiin hallittavan AtonPDM-järjestelmällä. Työ tehdään Metso Automationin (MA) Flow Control (FC) –liiketoimintalinjalle. Nykyiset mittakuvat aiheuttavat ongelmia sekä MA:ssa että asiakkaille. MA:ssa mittakuvien tekeminen kestää kauemmin kuin asiakas toivoisi. Nykyisen mittakuvaohjelmiston riittämättömät ominaisuudet aiheuttavat lisätyötä mittakuvien valmistuksessa. Asiakkaille mittakuvien viivästyminen on suunnittelua hidastava tekijä. Mittakuvissa olevat virheet ja puutteet vaikeuttavat asiakkaan suunnittelutyötä ja saattavat päästä läpi tarkatuksien myös loppusuunnitelmiin, jolloin seurauksena voi olla rahallisia menetyksiä. Tämän päivän putkistosuunnittelu hoidetaan suurimmaksi osaksi 3D-CADohjelmistoilla. Suunnittelua helpotetaan ja nopeutetaan valmiilla komponenttien 3Dmalleilla, joihin on liitetty tuotetietoa. Työssä on haastateltu MA:n henkilökuntaa, CAD-järjestelmien toimittajia ja asiakkaita. Haastattelut ovat työn tärkein tiedonlähde. Teoriatietoa on selvitetty kirjoista, lehdistä ja internetistä. Teoriaosiossa käydään läpi tuotetiedonhallinta (Product Data Management, PDM), tietokanta ja parametrinen mallintaminen. Työn lopputuloksena on pyritty saamaan kuvaus siitä miten tuotetaan 3D-CAD-mallit ja mittakuvat Neles-tuotteista käyttäen tiedonlähteenä AtonPDM:ää ja millaisia 3Dmallien ja mittakuvien tulee olla. Malleja ja mittakuvia tuottavaan järjestelmään on etsitty ratkaisuja CAD-ohjelmistoista. Ratkaisuja on verrattu keskenään ominaisuuksien, joustavuuden ja AtonPDM yhteensopivuuden perusteella.

Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace

This thesis presents a three-dimensional, semi-empirical, steady state model for simulating the combustion, gasification, and formation of emissions in circulating fluidized bed (CFB) processes. In a large-scale CFB furnace, the local feeding of fuel, air, and other input materials, as well as the limited mixing rate of different reactants produce inhomogeneous process conditions. To simulate the real conditions, the furnace should be modelled three-dimensionally or the three-dimensional effects should be taken into account. The only available methods for simulating the large CFB furnaces three-dimensionally are semi-empirical models, which apply a relatively coarse calculation mesh and a combination of fundamental conservation equations, theoretical models and empirical correlations. The number of such models is extremely small. The main objective of this work was to achieve a model which can be applied to calculating industrial scale CFB boilers and which can simulate all the essential sub-phenomena: fluid dynamics, reactions, the attrition of particles, and heat transfer. The core of the work was to develop the model frame and the required sub-models for determining the combustion and sorbent reactions. The objective was reached, and the developed model was successfully used for studying various industrial scale CFB boilers combusting different types of fuel. The model for sorbent reactions, which includes the main reactions for calcitic limestones, was applied for studying the new possible phenomena occurring in the oxygen-fired combustion. The presented combustion and sorbent models and principles can be utilized in other model approaches as well, including other empirical and semi-empirical model approaches, and CFD based simulations. The main achievement is the overall model frame which can be utilized for the further development and testing of new sub-models and theories, and for concentrating the knowledge gathered from the experimental work carried out at bench scale, pilot scale and industrial scale apparatus, and from the computational work performed by other modelling methods.

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

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

Modelling of calciner in post-combustion carbon capture process

Climate change has given an impetus to research and developed new technologies to reduce significantly carbon dioxide emissions in energy production in the developed countries. The major pollution source, fossil fuels, will be used as an energy source for many decades, which provides the demand for carbon capture and storage technologies. Over recent years many new technologies has been developed and one of the most promising is calcium-looping in post-combustion carbon capture process, which use carbonation-calcination cycle to capture carbon dioxide from the flue gas of a combustion process. First pilot plant for calcium-looping process has been built in Oviedo, Spain. In this study, a three-dimensional model has been created for the calciner, which is one of the two fluidized bed reactors needed for the process. The calciner is a regenerator where the captured carbon dioxide is removed from the calcium material and then collected after the reactor. Thesis concentrates in creating the calciner 3D-model frame with CFB3D-program and testing the model with two different example cases. Used input parameters and calciner geometry are Oviedo pilot plant design parameters. The calculation results give information about the process and show that pilot plant calciner should perform as planned. This Master’s Thesis is done in participation to EU FP7 project CaOling.

Real-time Image-based RGB-D Camera Motion Tracking and Environment Mapping

In this work, image based estimation methods, also known as direct methods, are studied which avoid feature extraction and matching completely. Cost functions use raw pixels as measurements and the goal is to produce precise 3D pose and structure estimates. The cost functions presented minimize the sensor error, because measurements are not transformed or modified. In photometric camera pose estimation, 3D rotation and translation parameters are estimated by minimizing a sequence of image based cost functions, which are non-linear due to perspective projection and lens distortion. In image based structure refinement, on the other hand, 3D structure is refined using a number of additional views and an image based cost metric. Image based estimation methods are particularly useful in conditions where the Lambertian assumption holds, and the 3D points have constant color despite viewing angle. The goal is to improve image based estimation methods, and to produce computationally efficient methods which can be accomodated into real-time applications. The developed image-based 3D pose and structure estimation methods are finally demonstrated in practise in indoor 3D reconstruction use, and in a live augmented reality application.

Kattilan ja kanaviston eristykset 3D-laitossuunnitteluohjelmassa

Työn tavoitteena oli kehittää kanavistojen ja kattilan eristyksien mallintamista 3D-laitossuunitteluohjelmassa sekä siitä saatavia materiaalilistoja. Kanavistojen eristeitä kuvastavaa geometriaa muokattiin vastaamaan eristyksen todellista tilanvarausta. Kattilan eristyksen mallintaminen on aikaisemmin jouduttu tekemään manuaalisesti, työssä kehitettiin työkalu, jonka avulla eristysten materiaalitiedot ja oikeat tilanvaraukset saadaan lisättyä 3D-malliin. Kaikkia eristyksen mallintamista ei kuitenkaan pystytä mielekkäästi toteuttamaan automaattisesti työkalujen avulla, näitä kohteita ovat tukikehikkorakenteet kuten kattilan vinttikehikko. Lisäksi täytyi selvittää, mitä tietoja eristyksien materiaalimäärälistoille vaaditaan, ja kuinka nämä tiedot saataisiin listoihin mukaan. Jotta kaikki eristettävät kohteet saadaan tuotettaviin materiaalilistoihin, on ohjelmaan lisättävä käytettäväksi uusia komponentteja. Näitä ovat uudet kanavistojen osat sekä muun muassa venturit ja huoltoluukut kanavistoille. Kattilaan asennettavat laitteet kuten näkölasit ja polttimet vaativat tukirakenteen, joka samalla toimii kotelona putkistojen taivutuksille. Näitä kohteita on aikaisemmin tuotu vanhoista projekteista tai ne on tehty suunnittelijan toimesta uusiksi. Työssä esitettiin uusi tapa mallintaa kattilan pinnat, jolloin niihin voidaan liittää koteloita erillisestä komponenttikirjastosta. Kanavistojen eristyksien materiaalimäärälistojen tuottaminen suoraan ohjelmasta auto-matisoitiin. Kattilan ja siihen liittyvien eristyskehysrakenteiden listojen tuotanto kuitenkin vaatii yhteisten toimintamallien kehittämistä. Tämän työn uudet menetelmät mahdollistavat yhä uusien työkalujen kehittämisen, esimerkiksi automaattisen eristysten teknisten piirustusten kuvatuotannon tulevaisuudessa.

Fluvio-morphological processes of meander bends - Combining conventional field measurements, close-range remote sensing and computational modelling

Meandering rivers have been perceived to evolve rather similarly around the world independently of the location or size of the river. Despite the many consistent processes and characteristics they have also been noted to show complex and unique sets of fluviomorphological processes in which local factors play important role. These complex interactions of flow and morphology affect notably the development of the river. Comprehensive and fundamental field, flume and theoretically based studies of fluviomorphological processes in meandering rivers have been carried out especially during the latter part of the 20th century. However, as these studies have been carried out with traditional field measurements techniques their spatial and temporal resolution is not competitive to the level achievable today. The hypothesis of this study is that, by exploiting e increased spatial and temporal resolution of the data, achieved by combining conventional field measurements with a range of modern technologies, will provide new insights to the spatial patterns of the flow-sediment interaction in meandering streams, which have perceived to show notable variation in space and time. This thesis shows how the modern technologies can be combined to derive very high spatial and temporal resolution data on fluvio-morphological processes over meander bends. The flow structure over the bends is recorded in situ using acoustic Doppler current profiler (ADCP) and the spatial and temporal resolution of the flow data is enhanced using 2D and 3D CFD over various meander bends. The CFD are also exploited to simulate sediment transport. Multi-temporal terrestrial laser scanning (TLS), mobile laser scanning (MLS) and echo sounding data are used to measure the flow-based changes and formations over meander bends and to build the computational models. The spatial patterns of erosion and deposition over meander bends are analysed relative to the measured and modelled flow field and sediment transport. The results are compared with the classic theories of the processes in meander bends. Mainly, the results of this study follow well the existing theories and results of previous studies. However, some new insights regarding to the spatial and temporal patterns of the flow-sediment interaction in a natural sand-bed meander bend are provided. The results of this study show the advantages of the rapid and detailed measurements techniques and the achieved spatial and temporal resolution provided by CFD, unachievable with field measurements. The thesis also discusses the limitations which remain in the measurement and modelling methods and in understanding of fluvial geomorphology of meander bends. Further, the hydro- and morphodynamic models’ sensitivity to user-defined parameters is tested, and the modelling results are assessed against detailed field measurement. The study is implemented in the meandering sub-Arctic Pulmanki River in Finland. The river is unregulated and sand-bed and major morphological changes occur annually on the meander point bars, which are inundated only during the snow-melt-induced spring floods. The outcome of this study applies to sandbed meandering rivers in regions where normally one significant flood event occurs annually, such as Arctic areas with snow-melt induced spring floods, and where the point bars of the meander bends are inundated only during the flood events.

3D-tulostustekniikan hyödyntäminen diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä

Pikamallinnustekniikat ovat kehittyneet viime vuosina nopeasti. Tämä antaa jo lähes rajat-tomat mahdollisuudet tuottaa 3D-tulostamalla erilaisia tuotteita. 3D-tulostuksen hyödyntä-minen on yleistynyt erityisesti teollisuuden ja teknologian aloilla. Tässä työssä tutkittiin miten 3D-tulostamista voidaan hyödyntää diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä. Immunologinen lateral flow-testi on vasta-aineisiin perustuva, nopea ja helppokäyttöinen mittausmenetelmä pienten ainemäärien havaitsemiseen. Tässä työssä kehitettiin lateral flow-testikotelo, jonka suunnitteluun ja rakenteen mallintamiseen käytettiin 3D-tulostustekniikkaa. Testikotelon toimivuus lateral flow- testissä varmistettiin kehittämällä testikoteloon sopiva pikatesti, jonka suorituskykyä analysoitiin sekä visuaalisesti että Actim 1ngeni-lukulaitteella. Työ aloitettiin tutkimalla eri pikavalmistustekniikoita, joista testikotelon tulostamiseen valittiin SLA-tekniikka sen tulostustarkkuuden ja tuotteen pinnan laadun perusteella. Testikotelon suunnittelu aloitettiin määrittämällä millaisia ominaisuuksia testikotelolta haluttiin. Näitä ominaisuuksia olivat lateral flow-testin suojaaminen sekä testissä kulkevan näytteen virtauksen varmistamien. Lateral flow- testin kehityksessä hyödynnettiin osin aiemmin kehitetystä pikatestistä saatuja tietoja. Lateral flow- kasettitestin valmistusprosessi koostui seitsemästä eri prosessivaiheesta jotka olivat: Vasta-aineen/kontrollireagenssin konjugointi, näytetyynyn käsittely, konjugointityynyn käsittely, konjugointityynylle annostelu, membraanille annostelu, tikkujen laminointi ja leikkaus sekä kasettitestin kokoonpano. Kehitetyn lateral flow- kasettitestin toimivuus varmistettiin tutkimalla testin reaktiokinetiikkaa ja analyyttistä herkkyyttä sekä visuaalisesti että lukulaitteen avulla. Tutkimustulosten perusteella 3D-tulostus on erittäin hyödyllinen menetelmä pikatestien tuotekehityksessä suunniteltaessa testikotelorakenteita, näytteen annosteluvälineitä ja näiden yhdistelmiä.

Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology

Successful management of rivers requires an understanding of the fluvial processes that govern them. This, in turn cannot be achieved without a means of quantifying their geomorphology and hydrology and the spatio-temporal interactions between them, that is, their hydromorphology. For a long time, it has been laborious and time-consuming to measure river topography, especially in the submerged part of the channel. The measurement of the flow field has been challenging as well, and hence, such measurements have long been sparse in natural environments. Technological advancements in the field of remote sensing in the recent years have opened up new possibilities for capturing synoptic information on river environments. This thesis presents new developments in fluvial remote sensing of both topography and water flow. A set of close-range remote sensing methods is employed to eventually construct a high-resolution unified empirical hydromorphological model, that is, river channel and floodplain topography and three-dimensional areal flow field. Empirical as well as hydraulic theory-based optical remote sensing methods are tested and evaluated using normal colour aerial photographs and sonar calibration and reference measurements on a rocky-bed sub-Arctic river. The empirical optical bathymetry model is developed further by the introduction of a deep-water radiance parameter estimation algorithm that extends the field of application of the model to shallow streams. The effect of this parameter on the model is also assessed in a study of a sandy-bed sub-Arctic river using close-range high-resolution aerial photography, presenting one of the first examples of fluvial bathymetry modelling from unmanned aerial vehicles (UAV). Further close-range remote sensing methods are added to complete the topography integrating the river bed with the floodplain to create a seamless high-resolution topography. Boat- cart- and backpack-based mobile laser scanning (MLS) are used to measure the topography of the dry part of the channel at a high resolution and accuracy. Multitemporal MLS is evaluated along with UAV-based photogrammetry against terrestrial laser scanning reference data and merged with UAV-based bathymetry to create a two-year series of seamless digital terrain models. These allow the evaluation of the methodology for conducting high-resolution change analysis of the entire channel. The remote sensing based model of hydromorphology is completed by a new methodology for mapping the flow field in 3D. An acoustic Doppler current profiler (ADCP) is deployed on a remote-controlled boat with a survey-grade global navigation satellite system (GNSS) receiver, allowing the positioning of the areally sampled 3D flow vectors in 3D space as a point cloud and its interpolation into a 3D matrix allows a quantitative volumetric flow analysis. Multitemporal areal 3D flow field data show the evolution of the flow field during a snow-melt flood event. The combination of the underwater and dry topography with the flow field yields a compete model of river hydromorphology at the reach scale.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

Computational modelling of non-equilibrium condensing steam flows in low-pressure steam turbines

The steam turbines play a significant role in global power generation. Especially, research on low pressure (LP) steam turbine stages is of special importance for steam turbine man- ufactures, vendors, power plant owners and the scientific community due to their lower efficiency than the high pressure steam turbine stages. Because of condensation, the last stages of LP turbine experience irreversible thermodynamic losses, aerodynamic losses and erosion in turbine blades. Additionally, an LP steam turbine requires maintenance due to moisture generation, and therefore, it is also affecting on the turbine reliability. Therefore, the design of energy efficient LP steam turbines requires a comprehensive analysis of condensation phenomena and corresponding losses occurring in the steam tur- bine either by experiments or with numerical simulations. The aim of the present work is to apply computational fluid dynamics (CFD) to enhance the existing knowledge and understanding of condensing steam flows and loss mechanisms that occur due to the irre- versible heat and mass transfer during the condensation process in an LP steam turbine. Throughout this work, two commercial CFD codes were used to model non-equilibrium condensing steam flows. The Eulerian-Eulerian approach was utilised in which the mix- ture of vapour and liquid phases was solved by Reynolds-averaged Navier-Stokes equa- tions. The nucleation process was modelled with the classical nucleation theory, and two different droplet growth models were used to predict the droplet growth rate. The flow turbulence was solved by employing the standard k-ε and the shear stress transport k-ω turbulence models. Further, both models were modified and implemented in the CFD codes. The thermodynamic properties of vapour and liquid phases were evaluated with real gas models. In this thesis, various topics, namely the influence of real gas properties, turbulence mod- elling, unsteadiness and the blade trailing edge shape on wet-steam flows, are studied with different convergent-divergent nozzles, turbine stator cascade and 3D turbine stator-rotor stage. The simulated results of this study were evaluated and discussed together with the available experimental data in the literature. The grid independence study revealed that an adequate grid size is required to capture correct trends of condensation phenomena in LP turbine flows. The study shows that accurate real gas properties are important for the precise modelling of non-equilibrium condensing steam flows. The turbulence modelling revealed that the flow expansion and subsequently the rate of formation of liquid droplet nuclei and its growth process were affected by the turbulence modelling. The losses were rather sensitive to turbulence modelling as well. Based on the presented results, it could be observed that the correct computational prediction of wet-steam flows in the LP turbine requires the turbulence to be modelled accurately. The trailing edge shape of the LP turbine blades influenced the liquid droplet formulation, distribution and sizes, and loss generation. The study shows that the semicircular trailing edge shape predicted the smallest droplet sizes. The square trailing edge shape estimated greater losses. The analysis of steady and unsteady calculations of wet-steam flow exhibited that in unsteady simulations, the interaction of wakes in the rotor blade row affected the flow field. The flow unsteadiness influenced the nucleation and droplet growth processes due to the fluctuation in the Wilson point.