Aerodynamical instability of web

Diplomityön tavoitteena oli tutkia miten ilman turbulenttisuus vaikuttaa tasaisesti liikkuvan rainan tilaan. Yhtenä sovelluskohteena teollisuudessa voidaan mainita esimerkiksi leiju-kuivain. Tiedetään, että konenopeuksien kasvu ja siitä johtuva ilmavirran nopeuden kasvu aiheuttaa voimavaikutuksia rainaan ja voi aiheuttaa lepatusta. Lepatus johtaa dynaamiseen epästabiilisuuteen, joka voidaan havaita, kun lineaarinen systeemi tulee epävakaaksi ja joh-taa epälineaariseen, rajoitettuun värähtelyyn. Lepatus huonontaa tuotteiden laatua ja voi johtaa ratakatkoihin. Työssä on esitetty tietoa ilman ja rainan vuorovaikutuksesta, jota hyödyntämällä voidaan kehittää yksinkertaistettu malli, jonka avulla liikkuvaa rainaa voidaan simuloida kuivaimes-sa. Kaasufaasin virtausyhtälöt on ratkaistu eri turbulenttimalleja käyttäen. Myös viskoelas-tisen rainan muodonmuutosta on tarkasteltu. Koska rainalle ei ole kirjallisuudesta saatavilla tarkkoja fysikaalisia ja mekaanisia arvoja, näitä ominaisuuksia testattiin eri arvoilla, jotta rainan käyttäytymistä jännityksen alaisena voidaan tarkastella. Näiden ominaisuuksien tun-teminen on ensiarvoisen tärkeää määritettäessä rainan aeroviskoelastista käyttäytymistä. Virtaussimulointi on kallista ja aikaa vievää. Tämä tarkoittaa uusien tutkimusmenetelmien omaksumista. Tässä työssä vaihtoehtoisena lähestymistapana on esitetty yksinkertaistettu malli, joka sisältää ilman ja rainan vuorovaikutusta kuvaavat ominaisuudet. Mallin avulla saadaan tietoa epälineaarisuuden ja turbulenssin vaikutuksesta sekä monimutkaisesta yh-teydestä stabiilisuuden ja ulkoisesti aikaansaadun värähtelyn sekä itse aiheutetun värähtelyn välillä. Työn lopussa on esitetty havainnollinen esimerkki, jolla voidaan kuvata olosuhteita, jossa rainan tasainen liike muuttuu epävakaaksi. Kun turbulenttisuudesta johtuva painevaih-telu ylittää tietyn rajan, rainan värähtely kasvaa muuttuen satunnaisesta järjestäytyneeksi. Saaduttulokset osoittavat, että turbulenttisuudella on suuri vaikutus eikä sitä voi jättää huomioimatta. Myös rainan viskoelastiset ominaisuudet tulee huomioida, jotta rainan käyt-täytymistä voidaan kuvata tarkasti.

Absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmä kuorimaisten kappaleiden mallinnuksessa

Työn tavoitteena oli kehittää nopeasti konvergoiva kuorielementti epälineaarisesti joustavien kappaleiden analysointiin. Kuorielementti perustuu absoluuttisten solmukoordinaattien menetelmään ja se hyödyntää kaarevuuden kuvausta elastisten voimien määrityksessä. Kehitettyä elementtiä verrattiin kontinuumimekaniikalla kehitettyyn kuorielementtiin ja kaupallisen elementtimenetelmän kuorielementtiin. Yksinkertaisimman kuormitustapauksen tuloksia verrattiin teknisen taivutusteorian mukaiseen analyyttiseen ratkaisuun. Staattisten testien tulokset tässä työssä kehitetyllä kuorielementillä vastasivat hyvin kaupallisella elementtimenetelmällä saatuja tuloksia. Deformaatioiden ollessa geometrisesti lineaarisella alueella, kehitetyllä kuorielementillä saadut tulokset vastasivat paremmin sekä analyyttistä ratkaisua että kaupallisella elementtimenetelmällä saatuja tuloksia kuin aiemman kontinuumimekaniikkaan perustuvan kuorielementin tulokset. Kehitetyn kuorielementin ongelmana verrattuna kontinuumimekaniikkaan perustuvaan elementtiin on monimutkaisempi kinematiikan kuvaus. Tästä on seurauksena laskenta-ajan huomattava kasvaminen. Jatkossa kannattaisi keskittyä numeeristen ratkaisumenetelmien kehittämiseen.

Green supplier selection via Multiple Criteria Data Envelopment Analysis

An appropriate supplier selection and its profound effects on increasing the competitive advantage of companies has been widely discussed in supply chain management (SCM) literature. By raising environmental awareness among companies and industries they attach more importance to sustainable and green activities in selection procedures of raw material providers. The current thesis benefits from data envelopment analysis (DEA) technique to evaluate the relative efficiency of suppliers in the presence of carbon dioxide (CO2) emission for green supplier selection. We incorporate the pollution of suppliers as an undesirable output into DEA. However, to do so, two conventional DEA model problems arise: the lack of the discrimination power among decision making units (DMUs) and flexibility of the inputs and outputs weights. To overcome these limitations, we use multiple criteria DEA (MCDEA) as one alternative. By applying MCDEA the number of suppliers which are identified as efficient will be decreased and will lead to a better ranking and selection of the suppliers. Besides, in order to compare the performance of the suppliers with an ideal supplier, a “virtual” best practice supplier is introduced. The presence of the ideal virtual supplier will also increase the discrimination power of the model for a better ranking of the suppliers. Therefore, a new MCDEA model is proposed to simultaneously handle undesirable outputs and virtual DMU. The developed model is applied for green supplier selection problem. A numerical example illustrates the applicability of the proposed model.

Real-time simulation of multibody systems with applications for working mobile vehicles

This dissertation describes an approach for developing a real-time simulation for working mobile vehicles based on multibody modeling. The use of multibody modeling allows comprehensive description of the constrained motion of the mechanical systems involved and permits real-time solving of the equations of motion. By carefully selecting the multibody formulation method to be used, it is possible to increase the accuracy of the multibody model while at the same time solving equations of motion in real-time. In this study, a multibody procedure based on semi-recursive and augmented Lagrangian methods for real-time dynamic simulation application is studied in detail. In the semirecursive approach, a velocity transformation matrix is introduced to describe the dependent coordinates into relative (joint) coordinates, which reduces the size of the generalized coordinates. The augmented Lagrangian method is based on usage of global coordinates and, in that method, constraints are accounted using an iterative process. A multibody system can be modelled as either rigid or flexible bodies. When using flexible bodies, the system can be described using a floating frame of reference formulation. In this method, the deformation mode needed can be obtained from the finite element model. As the finite element model typically involves large number of degrees of freedom, reduced number of deformation modes can be obtained by employing model order reduction method such as Guyan reduction, Craig-Bampton method and Krylov subspace as shown in this study The constrained motion of the working mobile vehicles is actuated by the force from the hydraulic actuator. In this study, the hydraulic system is modeled using lumped fluid theory, in which the hydraulic circuit is divided into volumes. In this approach, the pressure wave propagation in the hoses and pipes is neglected. The contact modeling is divided into two stages: contact detection and contact response. Contact detection determines when and where the contact occurs, and contact response provides the force acting at the collision point. The friction between tire and ground is modelled using the LuGre friction model, which describes the frictional force between two surfaces. Typically, the equations of motion are solved in the full matrices format, where the sparsity of the matrices is not considered. Increasing the number of bodies and constraint equations leads to the system matrices becoming large and sparse in structure. To increase the computational efficiency, a technique for solution of sparse matrices is proposed in this dissertation and its implementation demonstrated. To assess the computing efficiency, augmented Lagrangian and semi-recursive methods are implemented employing a sparse matrix technique. From the numerical example, the results show that the proposed approach is applicable and produced appropriate results within the real-time period.

Numerical modelling of small supersonic axial flow turbines

Supersonic axial turbine stages typically exhibit lower efficiencies than subsonic axial turbine stages. One reason for the lower efficiency is the occurrence of shock waves. With higher pressure ratios the flow inside the turbine becomes relatively easily supersonic if there is only one turbine stage. Supersonic axial turbines can be designed in smaller physical size compared to subsonic axial turbines of same power. This makes them good candidates for turbochargers in large diesel engines, where space can be a limiting factor. Also the production costs are lower for a supersonic axial turbine stage than for two subsonic stages. Since supersonic axial turbines are typically low reaction turbines, they also create lower axial forces to be compensated with bearings compared to high reaction turbines. The effect of changing the stator-rotor axial gap in a small high (rotational) speed supersonic axial flow turbine is studied in design and off-design conditions. Also the effect of using pulsatile mass flow at the supersonic stator inlet is studied. Five axial gaps (axial space between stator and rotor) are modeled using threedimensional computational fluid dynamics at the design and three axial gaps at the off-design conditions. Numerical reliability is studied in three independent studies. An additional measurement is made with the design turbine geometry at intermediate off-design conditions and is used to increase the reliability of the modelling. All numerical modelling is made with the Navier-Stokes solver Finflo employing Chien’s k ¡ ² turbulence model. The modelling of the turbine at the design and off-design conditions shows that the total-to-static efficiency of the turbine decreases when the axial gap is increased in both design and off-design conditions. The efficiency drops almost linearily at the off-design conditions, whereas the efficiency drop accelerates with increasing axial gap at the design conditions. The modelling of the turbine stator with pulsatile inlet flow reveals that the mass flow pulsation amplitude is decreased at the stator throat. The stator efficiency and pressure ratio have sinusoidal shapes as a function of time. A hysteresis-like behaviour is detected for stator efficiency and pressure ratio as a function of inlet mass flow, over one pulse period. This behaviour arises from the pulsatile inlet flow. It is important to have the smallest possible axial gap in the studied turbine type in order to maximize the efficiency. The results for the whole turbine can also be applied to some extent in similar turbines operating for example in space rocket engines. The use of a supersonic stator in a pulsatile inlet flow is shown to be possible.

Computational and Experimental Analysis of Flow Field in the Diffusers of Centrifugal Compressors

Centrifugal compressors are widely used for example in process industry, oil and gas industry, in small gas turbines and turbochargers. In order to achieve lower consumption of energy and operation costs the efficiency of the compressor needs to be improve. In the present work different pinches and low solidity vaned diffusers were utilized in order to improve the efficiency of a medium size centrifugal compressor. In this study, pinch means the decrement of the diffuser flow passage height. First different geometries were analyzed using computational fluid dynamics. The flow solver Finflo was used to solve the flow field. Finflo is a Navier-Stokes solver. The solver is capable to solve compressible, incompressible, steady and unsteady flow fields. Chien's k-e turbulence model was used. One of the numerically investigated pinched diffuser and one low solidity vaned diffuser were studied experimentally. The overall performance of the compressor and the static pressure distribution before and after the diffuser were measured. The flow entering and leaving the diffuser was measured using a three-hole Cobra-probe and Kiel-probes. The pinch and the low solidity vaned diffuser increased the efficiency of the compressor. Highest isentropic efficiency increment obtained was 3\% of the design isentropic efficiency of the original geometry. It was noticed in the numerical results that the pinch made to the hub and the shroud wall was most beneficial to the operation of the compressor. Also the pinch made to the hub was better than the pinchmade to the shroud. The pinch did not affect the operation range of the compressor, but the low solidity vaned diffuser slightly decreased the operation range.The unsteady phenomena in the vaneless diffuser were studied experimentally andnumerically. The unsteady static pressure was measured at the diffuser inlet and outlet, and time-accurate numerical simulation was conducted. The unsteady static pressure showed that most of the pressure variations lay at the passing frequency of every second blade. The pressure variations did not vanish in the diffuser and were visible at the diffuser outlet. However, the amplitude of the pressure variations decreased in the diffuser. The time-accurate calculations showed quite a good agreement with the measured data. Agreement was very good at the design operation point, even though the computational grid was not dense enough inthe volute and in the exit cone. The time-accurate calculation over-predicted the amplitude of the pressure variations at high flow.

Fluid flow and dispersion predictions in porous media by utilizing advanced numerical methods

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella numeerisen virtauslaskennan avulla virtaukseen liittyviä ilmiöitä ja kaasun dispersiota. Diplomityön sisältö on jaettu viiteen osaan; johdantoon, teoriaan, katsaukseen virtauksen mallinnukseen huokoisessa materiaalissa liittyviin tutkimusselvityksiin, numeeriseen mallinnukseen sekä tulosten esittämiseen ja johtopäätöksiin. Diplomityön alussa kiinnitettiin huomiota erilaisiin kokeellisiin, numeerisiin ja teoreettisiin mallinnusmenetelmiin, joilla voidaan mallintaa virtausta huokoisessa materiaalissa. Kirjallisuusosassa tehtiin katsaus aikaisemmin julkaistuihin puoliempiirisiin ja empiirisiin tutkimusselvityksiin, jotka liittyvät huokoisen materiaalin aiheuttamaan painehäviöön. Numeerisessa virtauslaskenta osassa rakennettiin ja esitettiin huokoista materiaalia kuvaavat numeeriset mallit käyttäen kaupallista FLUENT -ohjelmistoa. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisten tutkimusselvitysten tuloksia. Kolmiulotteisen huokoisen materiaalinnumeerisessa mallinnuksesta saadut tulokset vaikuttivat lupaavilta. Näiden tulosten perusteella tehtiin suosituksia ajatellen tulevaa virtauksen mallinnusta huokoisessa materiaalissa. Osa tässä diplomityössä esitetyistä tuloksista tullaan esittämään 55. Kanadan Kemiantekniikan konferenssissa Torontossa 1619 Lokakuussa 2005. ASME :n kansainvälisessä tekniikan alan julkaisussa. Työ on hyväksytty esitettäväksi esitettäväksi laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) aihealueessa 'Peruskäsitteet'. Lisäksi työn yksityiskohtaiset tulokset tullaan lähettämään myös CES:n julkaisuun.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

Monte Carlo Methods in Parameter Estimation of Nonlinear Models

Yksi keskeisimmistä tehtävistä matemaattisten mallien tilastollisessa analyysissä on mallien tuntemattomien parametrien estimointi. Tässä diplomityössä ollaan kiinnostuneita tuntemattomien parametrien jakaumista ja niiden muodostamiseen sopivista numeerisista menetelmistä, etenkin tapauksissa, joissa malli on epälineaarinen parametrien suhteen. Erilaisten numeeristen menetelmien osalta pääpaino on Markovin ketju Monte Carlo -menetelmissä (MCMC). Nämä laskentaintensiiviset menetelmät ovat viime aikoina kasvattaneet suosiotaan lähinnä kasvaneen laskentatehon vuoksi. Sekä Markovin ketjujen että Monte Carlo -simuloinnin teoriaa on esitelty työssä siinä määrin, että menetelmien toimivuus saadaan perusteltua. Viime aikoina kehitetyistä menetelmistä tarkastellaan etenkin adaptiivisia MCMC menetelmiä. Työn lähestymistapa on käytännönläheinen ja erilaisia MCMC -menetelmien toteutukseen liittyviä asioita korostetaan. Työn empiirisessä osuudessa tarkastellaan viiden esimerkkimallin tuntemattomien parametrien jakaumaa käyttäen hyväksi teoriaosassa esitettyjä menetelmiä. Mallit kuvaavat kemiallisia reaktioita ja kuvataan tavallisina differentiaaliyhtälöryhminä. Mallit on kerätty kemisteiltä Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta ja Åbo Akademista, Turusta.