Interaktiivinen NURBS-sovelma opetuskäyttöön

Parametriset NURBS-käyrät ja -pinnat ovat yleisiä työkaluja graafisessa mallinnuksessa, tietokoneavusteisessa suunnittelussa ja muissa sovelluksissa. NURBS-mallinnus on pääosin melko intuitiivista, mutta siinä on joitakin vaikeammin ymmärrettäviä osia. Ihminen oppii parhaiten tekemällä, minkä takia päätettiin tehdä interaktiivinen NURBS-opetussovelma, joka tutustuttaa käyttäjän NURBSien toimintaan. Sovelma toimii www-selaimessa Java-liitännäisen avulla ja hyödyntää Java OpenGL -grafiikkarajapintaa kolmiulotteisen grafiikan piirtämiseen. Sovelma on helppokäyttöinen ja opastaa käyttäjää NURBS-mallinnuksen eri osa-alueissa.

Simulations of 3D Stripixel Detectors

Large Hadron Collider (LHC) is the main particle accelerator at CERN. LHC is created with main goal to search elementary particles and help science investigate our universe. Radiation in LHC is caused by charged particles circular acceleration, therefore detectors tracing particles in existed severe conditions during the experiments must be radiation tolerant. Moreover, further upgrade of luminosity (up to 1035 cm-2s-1) requires development of particle detector’s structure. This work is dedicated to show the new type 3D stripixel detector with serious structural improvement. The new type of radiation-hard detector has a three-dimensional (3D) array of the p+ and n+ electrodes that penetrate into the detector bulk. The electrons and holes are then collected at oppositely biased electrodes. Proposed 3D stripixel detector demonstrates that full depletion voltage is lower that that for planar detectors. Low depletion voltage is one of the main advantages because only depleted part of the device is active are. Because of small spacing between electrodes, charge collection distances are smaller which results in high speed of the detector’s response. In this work is also briefly discussed dual-column type detectors, meaning consisting both n+ and p+ type columnar electrodes in its structure, and was declared that dual-column detectors show better electric filed distribution then single sided radiation detectors. The dead space or in other words low electric field region in significantly suppressed. Simulations were carried out by using Atlas device simulation software. As a simulation results in this work are represented the electric field distribution under different bias voltages.

Horizontal Grid Size Selection and its Influence on Mesoscale Model Simulations

The use of two-dimensional spectral analysis applied to terrain heights in order to determine characteristic terrain spatial scales and its subsequent use for the objective definition of an adequate grid size required to resolve terrain forcing are presented in this paper. In order to illustrate the influence of grid size, atmospheric flow in a complex terrain area of the Spanish east coast is simulated by the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) mesoscale numerical model using different horizontal grid resolutions. In this area, a grid size of 2 km is required to account for 95% of terrain variance. Comparison among results of the different simulations shows that, although the main wind behavior does not change dramatically, some small-scale features appear when using a resolution of 2 km or finer. Horizontal flow pattern differences are significant both in the nighttime, when terrain forcing is more relevant, and in the daytime, when thermal forcing is dominant. Vertical structures also are investigated, and results show that vertical advection is influenced highly by the horizontal grid size during the daytime period. The turbulent kinetic energy and potential temperature vertical cross sections show substantial differences in the structure of the planetary boundary layer for each model configuration

An easy and direct method for the synthesis of 1,2,4-triazole derivatives through carboxylic acids and hydrazinophthalazine

We have developed an easy method for the synthesis of thirteen compounds derived from 1,2,4-triazoles through a carboxylic acid and hydrazinophthalazine reaction, with a 75-85% yield mediated by the use of agents such as 1-ethyl-3-(3'-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride and 1-hydroxybenzotriazole. The operational simplicity of this method and the good yield of products make it valuable for the synthesis of new compounds with pharmacological activity.

Java-kieleen perustuvien www-sovellusten suorituskyvyn testaus ja parantaminen

Testauksesta on tullut oleellinen, yhä tärkeämpi sovelluskehitysprojektien osa. Sovelluksilta vaaditaan luotettavuutta kaikilla niiden toiminnan osa-alueilla. Suorituskykyyn liittyvät asiat ovat keskeinen osa näitä vaatimuksia erityisesti, kun kyse on Internetissä toimivista www-sovelluksista. Aluksi työssä esitellään erilaisia sovellusten testausmenetelmiä. Siinä kerrotaan yleisimmistä menetelmistä, joiden avulla pyritään sovelluksista löytämään vääränlaiset toimintatavat suhteessa niiden määriteltyihin toimintatapoihin. Testauksen tulosten avulla pystytään keskittymään oikeisiin kohtiin sovellusten toiminnan korjaamisessa. Työssä analysoidaan www-sovellusten rakennetta yleisen kerrosarkkitehtuurin eri kerrosten ominaisuuksia ja niihin sisältyviä keskeisimpiä sovellusten suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä kuvaillen. Näiden, www-sovellusten eri osien suorituskykyyn vaikuttavien ominaisuuksien perusteella esitellään esimerkkejä, kuinka Java-kieleen perustuvien www-sovellusten suorituskykyä voidaan parantaa. Lisäksi työssä kuvataan, kuinka erityisesti ilmaisella Apache JMeter-sovelluksella voidaan Java-kieleen perustuvien www-sovellusten suorituskykyä mitata. Työn tuloksena esitellään lopuksi suorituskyvyn testaus- ja parannusprosessi. Sen tarkoitus on selkeyttää erityisesti Java-kieleen perustuvien www-sovellusten suorituskyvyn testauksessa ja parannuksessa huomioon otettavia asioita.

Numeerisia menetelmiä Java-kielellä

Java-kieli on ottanut paikkansa web-ohjelmoinnin alueella, mutta tieteellisissä laskentatehtävissä se on lyhyehkön historiansa aikana jäänyt muiden ohjelmointikielten varjoon. Tutkielmassa selvitettiin, miten kieli soveltuu matemaattisten ongelmien ratkaisuun. Tutkimusta varten kehitettiin esimerkkiohjelmia eri numeerisen matematiikan osaalueille, kuten integrointiin, derivointiin, interpolointiin ja juurenhakuun; painopiste oli lineaarialgebran sovelluksissa. Eri matriisihajotelmien käyttöön perustuvia esimerkkejä tehtiin useampia. Kaikki ohjelmat toteutettiin siten, että niitä on mahdollista käyttää verkossa erilaisilla tietokonekokoonpanoilla. Tämä on kiinteä osa Java-kielen ideologiaa. Tutkielmaan kuuluvalla web-sivustolla kaikki ohjelmat lähdekoodeineen ovat kiinnostuneiden käytettävissä. Sivustoa on mahdollista kehittää ja laajentaa entisestään, sillä monet numeriikan osa-alueet jäivät vielä käsittelemättä. Ohjelmat lähdekoodeineen sekä kaikkien valmiiden luokkien lähdekoodit löytyvät myös tutkielman mukana tulevalta CD-ROM-levyltä. Esimerkkien pohjalta saatujen kokemusten perusteella todettiin, että Java-kielellä on mahdollista toteuttaa matemaattisia ohjelmia, vaikka kielellä onkin puutteensa; esimerkiksi Javan omat matemaattiset luokat ovat sellaisenaan riittämättömät vaativiin sovelluksiin. Tämä saattaa osittain selittää laimean kiinnostukseen kielen mahdollisuuksiin tieteellisessä käytössä. Java on kuitenkin vielä kehittyvä kieli, joten tulevaisuudessa aukeavat mahdollisuudet jäävät nähtäväksi.

Pulsatile Blood Flow Simulations in Computed Tomography(CT) Scan-Based and Idealized Geometries of Human Aorta

Blood flow in human aorta is an unsteady and complex phenomenon. The complex patterns are related to the geometrical features like curvature, bends, and branching and pulsatile nature of flow from left ventricle of heart. The aim of this work was to understand the effect of aorta geometry on the flow dynamics. To achieve this, 3D realistic and idealized models of descending aorta were reconstructed from Computed Tomography (CT) images of a female patient. The geometries were reconstructed using medical image processing code. The blood flow in aorta was assumed to be laminar and incompressible and the blood was assumed to be Newtonian fluid. A time dependent pulsatile and parabolic boundary condition was deployed at inlet. Steady and unsteady blood flow simulations were performed in real and idealized geometries of descending aorta using a Finite Volume Method (FVM) code. Analysis of Wall Shear Stress (WSS) distribution, pressure distribution, and axial velocity profiles were carried out in both geometries at steady and unsteady state conditions. The results obtained in thesis work reveal that the idealization of geometry underestimates the values of WSS especially near the region with sudden change of diameter. However, the resultant pressure and velocity in idealized geometry are close to those in real geometry

Design and Analysis of Forward Error Control Coding and Signaling for Guaranteeing QoS in Wireless Broadcast Systems

Broadcasting systems are networks where the transmission is received by several terminals. Generally broadcast receivers are passive devices in the network, meaning that they do not interact with the transmitter. Providing a certain Quality of Service (QoS) for the receivers in heterogeneous reception environment with no feedback is not an easy task. Forward error control coding can be used for protection against transmission errors to enhance the QoS for broadcast services. For good performance in terrestrial wireless networks, diversity should be utilized. The diversity is utilized by application of interleaving together with the forward error correction codes. In this dissertation the design and analysis of forward error control and control signalling for providing QoS in wireless broadcasting systems are studied. Control signaling is used in broadcasting networks to give the receiver necessary information on how to connect to the network itself and how to receive the services that are being transmitted. Usually control signalling is considered to be transmitted through a dedicated path in the systems. Therefore, the relationship of the signaling and service data paths should be considered early in the design phase. Modeling and simulations are used in the case studies of this dissertation to study this relationship. This dissertation begins with a survey on the broadcasting environment and mechanisms for providing QoS therein. Then case studies present analysis and design of such mechanisms in real systems. The mechanisms for providing QoS considering signaling and service data paths and their relationship at the DVB-H link layer are analyzed as the first case study. In particular the performance of different service data decoding mechanisms and optimal signaling transmission parameter selection are presented. The second case study investigates the design of signaling and service data paths for the more modern DVB-T2 physical layer. Furthermore, by comparing the performances of the signaling and service data paths by simulations, configuration guidelines for the DVB-T2 physical layer signaling are given. The presented guidelines can prove useful when configuring DVB-T2 transmission networks. Finally, recommendations for the design of data and signalling paths are given based on findings from the case studies. The requirements for the signaling design should be derived from the requirements for the main services. Generally, these requirements for signaling should be more demanding as the signaling is the enabler for service reception.

Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

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.

Analysis and validation of space averaged drag model for numerical simulations of gas-solid flows in fluidized beds

This thesis presents an approach for formulating and validating a space averaged drag model for coarse mesh simulations of gas-solid flows in fluidized beds using the two-fluid model. Proper modeling for fluid dynamics is central in understanding any industrial multiphase flow. The gas-solid flows in fluidized beds are heterogeneous and usually simulated with the Eulerian description of phases. Such a description requires the usage of fine meshes and small time steps for the proper prediction of its hydrodynamics. Such constraint on the mesh and time step size results in a large number of control volumes and long computational times which are unaffordable for simulations of large scale fluidized beds. If proper closure models are not included, coarse mesh simulations for fluidized beds do not give reasonable results. The coarse mesh simulation fails to resolve the mesoscale structures and results in uniform solids concentration profiles. For a circulating fluidized bed riser, such predicted profiles result in a higher drag force between the gas and solid phase and also overestimated solids mass flux at the outlet. Thus, there is a need to formulate the closure correlations which can accurately predict the hydrodynamics using coarse meshes. This thesis uses the space averaging modeling approach in the formulation of closure models for coarse mesh simulations of the gas-solid flow in fluidized beds using Geldart group B particles. In the analysis of formulating the closure correlation for space averaged drag model, the main parameters for the modeling were found to be the averaging size, solid volume fraction, and distance from the wall. The closure model for the gas-solid drag force was formulated and validated for coarse mesh simulations of the riser, which showed the verification of this modeling approach. Coarse mesh simulations using the corrected drag model resulted in lowered values of solids mass flux. Such an approach is a promising tool in the formulation of appropriate closure models which can be used in coarse mesh simulations of large scale fluidized beds.

On the development of an unstructured grid solver for inert and reactive high speed flow simulations

An unstructured grid Euler solver for reactive compressible flow applications is presented. The method is implemented in a cell centered, finite volume context for unstructured triangular grids. Three different schemes for spatial discretization are implemented and analyzed. Time march is implemented in a time-split fashion with independent integrators for the flow and chemistry equations. The capability implemented is tested for inert flows in a hypersonic inlet and for inert and reactive supersonic flows over a 2-D wedge. The results of the different schemes are compared with each other and with independent calculations using a structured grid code. The strengths and the possible weaknesses of the proposed methods are discussed.

Dynamics of coherent vortices in mixing layers using direct numerical and large-eddy simulations

Coherent vortices in turbulent mixing layers are investigated by means of Direct Numerical Simulation (DNS) and Large-Eddy Simulation (LES). Subgrid-scale models defined in spectral and physical spaces are reviewed. The new "spectral-dynamic viscosity model", that allows to account for non-developed turbulence in the subgrid-scales, is discussed. Pseudo-spectral methods, combined with sixth-order compact finite differences schemes (when periodic boundary conditions cannot be established), are used to solve the Navier- Stokes equations. Simulations in temporal and spatial mixing layers show two types of pairing of primary Kelvin-Helmholtz (KH) vortices depending on initial conditions (or upstream conditions): quasi-2D and helical pairings. In both cases, secondary streamwise vortices are stretched in between the KH vortices at an angle of 45° with the horizontal plane. These streamwise vortices are not only identified in the early transitional stage of the mixing layer but also in self-similar turbulence conditions. The Re dependence of the "diameter" of these vortices is analyzed. Results obtained in spatial growing mixing layers show some evidences of pairing of secondary vortices; after a pairing of the primary Kelvin-Helmholtz (KH) vortices, the streamwise vortices are less numerous and their diameter has increased than before the pairing of KH vortices.