Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.

Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.

Kaasuturbiinin polttoainesuuttimien virtausmittaus

Tässä diplomityössä suunniteltiin ja rakennettiin kaasuturbiinin kaasusuuttimien virtausmittauslaitteisto. Suuttimien epätasainen toiminta kasvattaa kaasuturbiinin poistolämpötilahajontaa. Virtausmittauksien perusteella voidaan määrittää suuttimien efektiivinen virtauspoikkipinta-ala. Suuttimien asennusjärjestys opti-moidaan suuttimien välisten pinta-alaerojen mukaisesti, jolloin polttoainevirtaus polttokammioihin on mahdollisimman tasainen ja poistolämpötilahajonta pienenee. Kaasuturbiinin MS6001 esittelyssä keskityttiin tärkeimpiin komponentteihin sekä polttoainesuuttimien testauksen kannalta oleellisiin osiin ja niiden toimintaan. Teoriaosuudessa tarkasteltiin tilavuusvirran sekä suutinvirtauksen laskennassa käytettäviä yhtälöitä. Mittalaitteiston suunnittelu ja toteutus olivat tämän työn laajin osa-alue. Laitteiston keskeiset osat ovat kuristuselin ja suutintestausosa. Kuristuselintyypiksi valittiin rengaskammiollinen kuristuslaippa, joka suun-niteltiin standardin SFS-EN ISO 5167:2003 mukaisesti. Standardissa annettujen yhtälöiden antamia tuloksia verrattiin numeerisella virtauslaskentamallilla lasket-tuihin tuloksiin. Suutinrunkojen ja -kärkien mittauksien suunnittelussa sovellettiin samaa standardia sekä numeerista virtauslaskentaa optimaalisen sijainnin löytämiseksi paineyhteelle. Mittauksissa syntyvien epävarmuuksien arviointiin kiinnitettiin erityistä huomiota. Kokeellisessa osuudessa mitattiin yhden kunnostetun suuttimen, käytetyn suut-timen ja suutinrungon virtausta. Tuloksien perusteella laskettiin efektiiviset pinta-alat, joita verrattiin turbiinivalmistajan ilmoittamiin pinta-aloihin. Lopuksi arvioitiin mittaustulosten perusteella laitteiston toimivuutta. Virhe-arvioinnin ja mittaustulosten perusteella laadittiin teknisiä parannusehdotuksia suutintestauslaitteiston luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

Structural studies on enzymes of biotechnological and biomedical interest

Structural studies of proteins aim at elucidating the atomic details of molecular interactions in biological processes of living organisms. These studies are particularly important in understanding structure, function and evolution of proteins and in defining their roles in complex biological settings. Furthermore, structural studies can be used for the development of novel properties in biomolecules of environmental, industrial and medical importance. X-ray crystallography is an invaluable tool to obtain accurate and precise information about the structure of proteins at the atomic level. Glutathione transferases (GSTs) are amongst the most versatile enzymes in nature. They are able to catalyze a wide variety of conjugation reactions between glutathione (GSH) and non-polar components containing an electrophilic carbon, nitrogen or sulphur atom. Plant GSTs from the Tau class (a poorly characterized class) play an important role in the detoxification of xenobiotics and stress tolerance. Structural studies were performed on a Tau class fluorodifen-inducible glutathione transferase from Glycine max (GmGSTU4-4) complexed with GSH (2.7 Å) and a product analogue Nb-GSH (1.7 Å). The three-dimensional structure of the GmGSTU4-4-GSH complex revealed that GSH binds in different conformations in the two subunits of the dimer: in an ionized form in one subunit and a non-ionized form in the second subunit. Only the ionized form of the substrate may lead to the formation of a catalytically competent complex. Structural comparison between the GSH and Nb-GSH bound complexes revealed significant differences with respect to the hydrogen-bonding, electrostatic interaction pattern, the upper part of -helix H4 and the C-terminus of the enzyme. These differences indicate an intrasubunit modulation between the G-and Hsites suggesting an induced-fit mechanism of xenobiotic substrate binding. A novel binding site on the surface of the enzyme was also revealed. Bacterial type-II L-asparaginases are used in the treatment of haematopoietic diseases such as acute lymphoblastic leukaemia (ALL) and lymphomas due to their ability to catalyze the conversion of L-asparagine to L-aspartate and ammonia. Escherichia coli and Erwinia chrysanthemi asparaginases are employed for the treatment of ALL for over 30 years. However, serious side-effects affecting the liver and pancreas have been observed due to the intrinsic glutaminase activity of the administered enzymes. Structural studies on Helicobacter pylori L-asparaginase (HpA) were carried out in an effort to discover novel L-asparaginases with potential chemotherapeutic utility in ALL treatment. Detailed analysis of the active site geometry revealed structurally significant differences between HpA and other Lasparaginases that may be important for the biological activities of the enzyme and could be further exploited in protein engineering efforts.

18F-Labeled Presynaptic Dopaminergic Tracers. Synthesis, Radiochemical Analyses, and Preclinical Evaluation of [18F]FDOPA and [18F]CFT

Dysfunction of the dopaminergic system in brain is involved in several pathological conditions such as Parkinson’s disease and depression. 2β-Carbomethoxy-3β-(4-[18F] fluorophenyl)tropane ([18F]CFT) and 6-[18F]fluoro-L-dopa ([18F]FDOPA) are tracers for imaging the dopaminergic function with positron emission tomography (PET). Peripheral uptake of [18F]FDOPA is also used in the localization and diagnosis of neuroendocrine tumors. [18F]FDOPA and [18F]CFT can be synthesized by electrophilic fluorodestannylation. However, the specific radioactivity (SA) in the electrophilic fluorination is low with traditional synthetic methods. In this study, [18F]FDOPA and [18F]CFT were synthesized using post-target-produced [18F]F2 as an electrophilic fluorination agent. With this method, tracers are produced with sufficient SA for neuroreceptor studies. Specific aims in this study were to replace Freon-11 in the production of [18F]FDOPA due to the ozone depleting properties of this solvent, to determine pharmacological specificity and selectivity of [18F]CFT with respect to monoamine transporters, and to compare the ability of these tracers to reflect the degree of nigral neuronal loss in rats in which the dopaminergic system in the brain had been unilaterally destroyed by 6- OHDA. Post-target-produced [18F]F2 was successfully used in the production of [18F]FDOPA and [18F]CFT. The SA achieved was substantially higher than in previous synthetic methods. Deuterated compounds, CD2Cl2, CDCl3 and C3D6O, were found to be suitable solvents for replacing Freon-11. Both [18F]FDOPA and [18F]CFT demonstrated nigrostriatal dopaminergic hypofunction and correlated with the number of nigral dopaminergic neurons in the 6-OHDA lesioned rat. However, the dopamine transporter (DAT) tracer [18F]CFT was more sensitive than the dopamine synthesis tracer [18F]FDOPA in detecting these defects because of the higher non-specific uptake of [18F]FDOPA. [18F]CFT can also be used for imaging the norepinephrine transporter (NET) because of the specific uptake into the locus coeruleus. The observation that [18F]CFT exhibits specific uptake in the pancreas warrants further studies in humans with respect to potential utility in pancreatic imaging