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.

Six Sigman soveltamisedellytysten ja -apuvälineiden luominen

Diplomityön tavoitteena oli luoda soveltamisedellytyksiä ja -apuvälineitä Six Sigma -parannusprojektien läpiviennille Perlos Oyj Connectorsin meistoprosessissa. Työn teoriaosassa käsitellään Six Sigman perusteoriaa, organisointia ja soveltamista sekä suorituskykymittariston ja tiedonkeruumenetelmien luomista. Kirjallisuuden tarjoaman teorian jälkeen työssä tutustuttiin meistoprosessiin ja Perloksen tapaan soveltaa Six Sigmaa prosessien parantamiseen. Tämän perusteella kehitettiin tiedonkeruu-, dokumentointi- ynnä muita apuvälineitä parantamisprojektien tueksi. Lopuksi koekäytettiin luotuja välineitä meistoon tehdyn osittaisen Six Sigma -projektin yhteydessä. Luotettavan tiedon saaminen prosesseista on perusedellytys Six Sigma -projektien läpiviennille. Menetelmän kouluttaminen työntekijöille on myös tärkeää. Erilaiset dokumentointi- ja laskentakaavakkeet toimivat projektien läpiviennin ja seurannan tukena. Työssä luotuja tiedonkeruu-, koulutus-, dokumentointi- ynnä muita apuvälineitä voidaan käyttää jatkossa apuna Perloksella tehtävissä Six Sigma -projekteissa. Mittaristoa ja tiedonkeruuta tulee kehittää edelleen, jotta prosessien toimintaa voidaan analysoida tehokkaasti. Työn lopussa on ajatuksia Six Sigman käytöstä sekä tiedonkeruujärjestelmien jatkokehityksestä.

Computational methods for tactical simulations

Tämä taktiikan tutkimus keskittyy tietokoneavusteisen simuloinnin laskennallisiin menetelmiin, joita voidaan käyttää taktisen tason sotapeleissä. Työn tärkeimmät tuotokset ovat laskennalliset mallit todennäköisyyspohjaisen analyysin mahdollistaviin taktisen tason taistelusimulaattoreihin, joita voidaan käyttää vertailevaan analyysiin joukkue-prikaatitason tarkastelutilanteissa. Laskentamallit keskittyvät vaikuttamiseen. Mallit liittyvät vahingoittavan osuman todennäköisyyteen, jonka perusteella vaikutus joukossa on mallinnettu tilakoneina ja Markovin ketjuina. Edelleen näiden tulokset siirretään tapahtumapuuanalyysiin operaation onnistumisen todennäköisyyden osalta. Pienimmän laskentayksikön mallinnustaso on joukkue- tai ryhmätasolla, jotta laskenta-aika prikaatitason sotapelitarkasteluissa pysyisi riittävän lyhyenä samalla, kun tulokset ovat riittävän tarkkoja suomalaiseen maastoon. Joukkueiden mies- ja asejärjestelmävahvuudet ovat jakaumamuodossa, eivätkä yksittäisiä lukuja. Simuloinnin integroinnissa voidaan käyttää asejärjestelmäkohtaisia predictor corrector –parametreja, mikä mahdollistaa aika-askelta lyhytaikaisempien taistelukentän ilmiöiden mallintamisen. Asemallien pohjana ovat aiemmat tutkimukset ja kenttäkokeet, joista osa kuuluu tähän väitöstutkimukseen. Laskentamallien ohjelmoitavuus ja käytettävyys osana simulointityökalua on osoitettu tekijän johtaman tutkijaryhmän ohjelmoiman ”Sandis”- taistelusimulointiohjelmiston avulla, jota on kehitetty ja käytetty Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa. Sandikseen on ohjelmoitu karttakäyttöliittymä ja taistelun kulkua simuloivia laskennallisia malleja. Käyttäjä tai käyttäjäryhmä tekee taktiset päätökset ja syöttää nämä karttakäyttöliittymän avulla simulointiin, jonka tuloksena saadaan kunkin joukkuetason peliyksikön tappioiden jakauma, keskimääräisten tappioiden osalta kunkin asejärjestelmän aiheuttamat tappiot kuhunkin maaliin, ammuskulutus ja radioyhteydet ja niiden tila sekä haavoittuneiden evakuointi-tilanne joukkuetasolta evakuointisairaalaan asti. Tutkimuksen keskeisiä tuloksia (kontribuutio) ovat 1) uusi prikaatitason sotapelitilanteiden laskentamalli, jonka pienin yksikkö on joukkue tai ryhmä; 2) joukon murtumispisteen määritys tappioiden ja haavoittuneiden evakuointiin sitoutuvien taistelijoiden avulla; 3) todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttömahdollisuus vertailevassa tutkimuksessa sekä 4) kokeellisesti testatut tulen vaikutusmallit ja 5) toimivat integrointiratkaisut. Työ rajataan maavoimien taistelun joukkuetason todennäköisyysjakaumat luovaan laskentamalliin, kenttälääkinnän malliin ja epäsuoran tulen malliin integrointimenetelmineen sekä niiden antamien tulosten sovellettavuuteen. Ilmasta ja mereltä maahan -asevaikutusta voidaan tarkastella, mutta ei ilma- ja meritaistelua. Menetelmiä soveltavan Sandis -ohjelmiston malleja, käyttötapaa ja ohjelmistotekniikkaa kehitetään edelleen. Merkittäviä jatkotutkimuskohteita mallinnukseen osalta ovat muun muassa kaupunkitaistelu, vaunujen kaksintaistelu ja maaston vaikutus tykistön tuleen sekä materiaalikulutuksen arviointi.

Vertaileva tapaustutkimus kuusivuotiaiden opetus–oppimis -vuorovaikutuksesta, matematiikkaepisodeista ja lukukäsitteen osaamisesta

Tässä vertailevassa kansainvälisessä tapaustutkimuksessa tarkasteltiin kuusivuotiaiden matematiikan tuntien opetus–oppimis -vuorovaikutusta ja lukukäsitteen osaamista Suomen, Englannin ja Ruotsin toiminta- ja oppimisympäristöissä. Toteutuneita opetus–oppimis -prosesseja verrattiin opetussuunnitelmien yleisiin- ja matematiikan tavoitteisiin sekä lukukäsitteen osaamistasoon. Empiirinen tutkimusaineisto sisälsi lasten (N=99) lukukäsitteen osaamistason yksilötestauksen ja laadullisen analyysin yhteensä seitsemän viikon matematiikan tuntien (880 minuutin) videoidusta opetus – oppimis -vuorovaikutuksesta. Minuutin analyysiyksikköina tarkasteltuna kuusivuotiaiden tutkimusviikon matematiikan tuntien opetus–oppimis -vuorovaikutuksesta lähes puolet ilmensi opettajalähtöisyyttä, kolmannes oppijalähtöisyyttä ja lähes viidennes ilmensi jaettua vuorovaikutusta. Kun tutkimusviikon matematiikan opetusta tarkasteltiin merkityksellisten vuorovaikutuskokonaisuuksien, episodien luokittelun pohjalta havaittiin, että kaikista viikon matematiikkaepisodeista (N=371) yli puolet edusti opettajalähtöisyyttä ja kolmannes edusti opettajalähtöisen ja jaetun vuorovaikutuksen yhdistelmää. Episodien keskimääräinen kesto oli noin kaksi minuuttia tässä tutkimuksessa. Tuloksissa ilmeni ryhmien välisiä eroja opetus–oppimis -vuorovaikutuksen ominaisuuksissa sekä erityyppisiä matematiikan tuntien rakennemalleja ja lukukäsitteen osaamistasoeroja. Monipuolinen ja muita näytteitä enemmän jaettua vuorovaikutusta edustava oppimisympäristö, oli tässä aineistossa yhteydessä keskiarvoa korkeampaan lukukäsitteen osaamistasoon. Korostetun opettajalähtöinen oppimisympäristö oli yhteydessä keskimääräiseen lukukäsitteen osaamistasoon. Muita tutkimuskohteita oppijalähtöisempi oppimisympäristö oli yhteydessä keskimääräisistä alempaan lukukäsitteen osaamistasoon. Tutkimustulosten perusteella tarkentuu kuva erilaisista opetus–oppimis -prosessin osatekijöistä, joita voidaan mahdollisesti soveltaa eri oppiaineisiin vastaavanlaisissa formaaleissa oppimisympäristöissä.