Cell wall thickness and tangential and radial cell diameter of fertilized and irrigated Norway spruce

Abstract

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

Computational modeling of stented coronary arteries

The application of computational fluid dynamics (CFD) and finite element analysis (FEA) has been growing rapidly in the various fields of science and technology. One of the areas of interest is in biomedical engineering. The altered hemodynamics inside the blood vessels plays a key role in the development of the arterial disease called atherosclerosis, which is the major cause of human death worldwide. Atherosclerosis is often treated with the stenting procedure to restore the normal blood flow. A stent is a tubular, flexible structure, usually made of metals, which is driven and expanded in the blocked arteries. Despite the success rate of the stenting procedure, it is often associated with the restenosis (re-narrowing of the artery) process. The presence of non-biological device in the artery causes inflammation or re-growth of atherosclerotic lesions in the treated vessels. Several factors including the design of stents, type of stent expansion, expansion pressure, morphology and composition of vessel wall influence the restenosis process. Therefore, the role of computational studies is crucial in the investigation and optimisation of the factors that influence post-stenting complications. This thesis focuses on the stent-vessel wall interactions followed by the blood flow in the post-stenting stage of stenosed human coronary artery. Hemodynamic and mechanical stresses were analysed in three separate stent-plaque-artery models. Plaque was modeled as a multi-layer (fibrous cap (FC), necrotic core (NC), and fibrosis (F)) and the arterial wall as a single layer domain. CFD/FEA simulations were performed using commercial software packages in several models mimicking the various stages and morphologies of atherosclerosis. The tissue prolapse (TP) of stented vessel wall, the distribution of von Mises stress (VMS) inside various layers of vessel wall, and the wall shear stress (WSS) along the luminal surface of the deformed vessel wall were measured and evaluated. The results revealed the role of the stenosis size, thickness of each layer of atherosclerotic wall, thickness of stent strut, pressure applied for stenosis expansion, and the flow condition in the distribution of stresses. The thicknesses of FC, and NC and the total thickness of plaque are critical in controlling the stresses inside the tissue. A small change in morphology of artery wall can significantly affect the distribution of stresses. In particular, FC is the most sensitive layer to TP and stresses, which could determine plaque’s vulnerability to rupture. The WSS is highly influenced by the deflection of artery, which in turn is dependent on the structural composition of arterial wall layers. Together with the stenosis size, their roles could play a decisive role in controlling the low values of WSS (<0.5 Pa) prone to restenosis. Moreover, the time dependent flow altered the percentage of luminal area with WSS values less than 0.5 Pa at different time instants. The non- Newtonian viscosity model of the blood properties significantly affects the prediction of WSS magnitude. The outcomes of this investigation will help to better understand the roles of the individual layers of atherosclerotic vessels and their risk to provoke restenosis at the post-stenting stage. As a consequence, the implementation of such an approach to assess the post-stented stresses will assist the engineers and clinicians in optimizing the stenting techniques to minimize the occurrence of restenosis.

Ylisoonisen yksivaiheisen aksiaaliturbiinin suunnittelu

Tässä diplomityössä suunnitellaan yksivaiheisen turbiinin ylisooninen staattori ja alisooninen roottori, tulo-osa ja diffuusori. Työn alussa tarkastellaan aksiaaliturbiinin käyttökohteita ja teoriaa, jonka jälkeen esitetään suunnittelun perustana olevat menetelmät ja periaatteet. Perussuunnittelu tehdään Traupelinmenetelmällä WinAxtu 1.1 suunnitteluohjelmalla ja hyötysuhde arvioidaan lisäksiExcel-pohjaisella laskennalla. Ylisooninen staattori suunnitellaan perussuunnittelun tuloksiin perustuen, soveltamalla karakteristikoiden menetelmää suuttimen laajenevaan osaan ja pinta-alasuhteita suppenevaan osaan. Roottorin keskiviiva piirretään Sahlbergin menetelmällä ja siiven muoto määritetään A3K7 paksuusjakauman sekä tiheän siipihilan muotoilun periaatteita yhdistämällä. Tulo-osa suunnitellaan mahdollisimman jouhevaksi geometriatietojen ja kirjallisuuden esimerkkien mukaisesti. Lopuksi tulo-osaa mallinnetaan CFD-laskennalla. Diffuusori suunnitellaan käyttämällä soveltuvin osin kirjallisuudessa esitettyjätietoja, tulo-osan geometriaa ja CFD-laskentaa. Suunnittelutuloksia verrataan lopuksi kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin ja arvioidaan suunnittelun onnistumista sekä mahdollisia ongelmakohtia.

Ash Particle Erosion on Steam Boiler Convective Section

In this study, equations for the calculation of erosion wear caused by ash particles on convective heat exchanger tubes of steam boilers are presented. Anew, three-dimensional test arrangement was used in the testing of the erosion wear of convective heat exchanger tubes of steam boilers. When using the sleeve-method, three different tube materials and three tube constructions could be tested. New results were obtained from the analyses. The main mechanisms of erosionwear phenomena and erosion wear as a function of collision conditions and material properties have been studied. Properties of fossil fuels have also been presented. When burning solid fuels, such as pulverized coal and peat in steam boilers, most of the ash is entrained by the flue gas in the furnace. In bubbling andcirculating fluidized bed boilers, particle concentration in the flue gas is high because of bed material entrained in the flue gas. Hard particles, such as sharp edged quartz crystals, cause erosion wear when colliding on convective heat exchanger tubes and on the rear wall of the steam boiler. The most important ways to reduce erosion wear in steam boilers is to keep the velocity of the flue gas moderate and prevent channelling of the ash flow in a certain part of the cross section of the flue gas channel, especially near the back wall. One can do this by constructing the boiler with the following components. Screen plates can beused to make the velocity and ash flow distributions more even at the cross-section of the channel. Shield plates and plate type constructions in superheaters can also be used. Erosion testing was conducted with three types of tube constructions: a one tube row, an inline tube bank with six tube rows, and a staggered tube bank with six tube rows. Three flow velocities and two particle concentrations were used in the tests, which were carried out at room temperature. Three particle materials were used: quartz, coal ash and peat ash particles. Mass loss, diameter loss and wall thickness loss measurements of the test sleeves were taken. Erosion wear as a function of flow conditions, tube material and tube construction was analyzed by single-variable linear regression analysis. In developing the erosion wear calculation equations, multi-variable linear regression analysis was used. In the staggered tube bank, erosion wear had a maximum value in a tube row 2 and a local maximum in row 5. In rows 3, 4 and 6, the erosion rate was low. On the other hand, in the in-line tube bank the minimum erosion rate occurred in tube row 2 and in further rows the erosion had an increasing value, so that in a six row tube bank, the maximum value occurred in row 6.

Tuoteportfolion kehittäminen ja uusien asiakassegmenttien etsintä

Tämän tutkimuksen tavoite oli kaksijakoinen. Ensimmäisenä tavoitteena oli profiililiiketoiminnan tehostaminen tuoteportfoliota kehittämällä. Toisena ta-voitteena oli etsiä kannattavimpia asiakassegmenttejä. Työn pääajurina nähtiin kilpailukyky, keskeistä oli ymmärtää mistä kilpailukyky syntyy ja mikä on case-organisaation asema markkinoilla. Laajemmin tavoitteena oli päästä eroon teräsmarkkinoiden syklisyydestä ja pelkästään hintoihin perustuvasta liiketoiminnasta. Tutkimuksessa etsittiin case-organisaation ja kilpailijoiden vahvuuksia ja heikkouksia. Kilpailijoiden asema markkinoilla sekä uusien asiakassegmenttien kiinnostavuus selvitettiin kyselytutkimuksen sekä haastattelujen avulla. Kyselytutkimus toteutettiin avoimilla kysymyksillä varustetulla kyselylomakkeella. Vahvuuksien ja heikkouksien tunnistamisen lisäksi oli tärkeää ymmärtää mitä tekijöitä case-organisaation tulee hankkia tulevaisuuden kilpailukyvyn ylläpitämiseksi. Tutkimuksessa tultiin johtopäätökseen, että paras keino vastata markkinoilla vallitsevaa kilpailuun on keskittyä tuoteportfoliossa avoprofiileihin, joiden seinämäpaksuus on yli 8 mm. Lisäksi heräsi tarve pohtia uuden järeän profilointilinjan hankintaa tulevaisuuden kilpailukyvyn ylläpitämiseksi. Potentiaalisimmiksi uusiksi asiakassegmenteiksi nähtiin nosto- ja siirtovälineteollisuus, infrastruktuuri- ja rakennusteollisuus sekä energiateollisuus. Työssä todettiin myös, että tulevaisuuden kilpailukyvyn ylläpitämiseksi on tuotetarjontaa monipuolistettava lisäämällä oheispalveluita, kuten asiakasvarastointia.

Boundary identification in the domain of a parabolic partial differential equation

Bakgrunden och inspirationen till föreliggande studie är tidigare forskning i tillämpningar på randidentifiering i metallindustrin. Effektiv randidentifiering möjliggör mindre säkerhetsmarginaler och längre serviceintervall för apparaturen i industriella högtemperaturprocesser, utan ökad risk för materielhaverier. I idealfallet vore en metod för randidentifiering baserad på uppföljning av någon indirekt variabel som kan mätas rutinmässigt eller till en ringa kostnad. En dylik variabel för smältugnar är temperaturen i olika positioner i väggen. Denna kan utnyttjas som insignal till en randidentifieringsmetod för att övervaka ugnens väggtjocklek. Vi ger en bakgrund och motivering till valet av den geometriskt endimensionella dynamiska modellen för randidentifiering, som diskuteras i arbetets senare del, framom en flerdimensionell geometrisk beskrivning. I de aktuella industriella tillämpningarna är dynamiken samt fördelarna med en enkel modellstruktur viktigare än exakt geometrisk beskrivning. Lösningsmetoder för den s.k. sidledes värmeledningsekvationen har många saker gemensamt med randidentifiering. Därför studerar vi egenskaper hos lösningarna till denna ekvation, inverkan av mätfel och något som brukar kallas förorening av mätbrus, regularisering och allmännare följder av icke-välställdheten hos sidledes värmeledningsekvationen. Vi studerar en uppsättning av tre olika metoder för randidentifiering, av vilka de två första är utvecklade från en strikt matematisk och den tredje från en mera tillämpad utgångspunkt. Metoderna har olika egenskaper med specifika fördelar och nackdelar. De rent matematiskt baserade metoderna karakteriseras av god noggrannhet och låg numerisk kostnad, dock till priset av låg flexibilitet i formuleringen av den modellbeskrivande partiella differentialekvationen. Den tredje, mera tillämpade, metoden kännetecknas av en sämre noggrannhet förorsakad av en högre grad av icke-välställdhet hos den mera flexibla modellen. För denna gjordes även en ansats till feluppskattning, som senare kunde observeras överensstämma med praktiska beräkningar med metoden. Studien kan anses vara en god startpunkt och matematisk bas för utveckling av industriella tillämpningar av randidentifiering, speciellt mot hantering av olinjära och diskontinuerliga materialegenskaper och plötsliga förändringar orsakade av “nedfallande” väggmaterial. Med de behandlade metoderna förefaller det möjligt att uppnå en robust, snabb och tillräckligt noggrann metod av begränsad komplexitet för randidentifiering.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.