Validation of a 3D model for oxygen combustion in a circulating fluidized bed

In this thesis, a model called CFB3D is validated for oxygen combustion in circulating fluidized bed boiler. The first part of the work consists of literature review in which circulating fluidized bed and oxygen combustion technologies are studied. In addition, the modeling of circulating fluidized bed furnaces is discussed and currently available industrial scale three-dimensional furnace models are presented. The main features of CFB3D model are presented along with the theories and equations related to the model parameters used in this work. The second part of this work consists of the actual research and modeling work including measurements, model setup, and modeling results. The objectives of this thesis is to study how well CFB3D model works with oxygen combustion compared to air combustion in circulating fluidized bed boiler and what model parameters need to be adjusted when changing from air to oxygen combustion. The study is performed by modeling two air combustion cases and two oxygen combustion cases with comparable boiler loads. The cases are measured at Ciuden 30 MWth Flexi-Burn demonstration plant in April 2012. The modeled furnace temperatures match with the measurements as well in oxygen combustion cases as in air combustion cases but the modeled gas concentrations differ from the measurements clearly more in oxygen combustion cases. However, the same model parameters are optimal for both air and oxygen combustion cases. When the boiler load is changed, some combustion and heat transfer related model parameters need to be adjusted. To improve the accuracy of modeling results, better flow dynamics model should be developed in the CFB3D model. Additionally, more measurements are needed from the lower furnace to find the best model parameters for each case. The validation work needs to be continued in order to improve the modeling results and model predictability.

Sosiaali- ja terveydenhuollon asiantuntijoiden palveluprosessien mallintaminen osana vastaanottotoiminnan kehittämistä

Diplomityön tavoitteena on soveltaa perinteisesti teollisesta tuotannosta lähtöisin olevia prosessijohtamisen menetelmiä sosiaali- ja terveydenhuollon vastaanottotoiminnan kehittämiseen. Tarkoituksena on asiantuntijapalveluprosessien mallintamisen avulla kartoittaa prosessien nykytilaa tunnistamalla ongelma- ja kehittämiskohteita, joiden ratkaisemiseksi annettavien kehittämistoimenpide-ehdotusten muodostamisessa sovelletaan prosessijohtamisen menetelmien periaatteita. Tutkimuksen teoreettisen viitekehyksen mukaisesti tarkastellaan mm. prosessien mallintamista, eli kuvaamista ja analysointia, sekä sosiaali- ja terveydenhuoltoa palvelutuotantona. Tutkimuksessa hyödynnetään sekä kvalitatiivisia että kvantitatiivisia menetelmiä, ja tutkimusaineistoa kerätään haastattelujen, havainnoinnin ja tilastojen avulla. Asiantuntijoiden palveluprosesseista laaditaan aineiston perusteella kuvaukset, ja tunnistetaan prosesseihin tai laajemminkin sosiaali- ja terveydenhuolto-organisaatioon liittyviä ongelma- ja kehittämiskohteita. Kehittämistoimenpiteissä korostuvat asiakaslähtöisyys ja tuottavuus, ja niissä huomioidaan niin asiakkaan, henkilöstön, prosessien kuin asiakasohjauksen näkökulma. Työn keskeisimmät tulokset ovat prosessikuvaukset, tunnistetut ongelma- ja kehittämiskohteet sekä prosessien uudelleenmäärittämiseksi muodostetut kehittämistoimenpide-ehdotukset, joiden hyötyjä ja vaikutuksia mm. suorituskykyyn arvioidaan. Tulosten perusteella voidaan päätellä, että prosessijohtamisen menetelmät soveltuvat sosiaali- ja terveydenhuollon toiminnan kehittämiseen, kunhan huomioidaan toimintaympäristön erityispiirteet ja haasteet.

Prediction of 3D structure and ligand-binding properties : ABC transporters and flavodiiron proteins from Synechocystis sp. strain PCC 6803

Cyanobacteria are unicellular, non-nitrogen-fixing prokaryotes, which perform photosynthesis similarly as higher plants. The cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803 is used as a model organism in photosynthesis research. My research described herein aims at understanding the function of the photosynthetic machinery and how it responds to changes in the environment. Detailed knowledge of the regulation of photosynthesis in cyanobacteria can be utilized for biotechnological purposes, for example in the harnessing of solar energy for biofuel production. In photosynthesis, iron participates in electron transfer. Here, we focused on iron transport in Synechocystis sp. strain PCC 6803 and particularly on the environmental regulation of the genes encoding the FutA2BC ferric iron transporter, which belongs to the ABC transporter family. A homology model built for the ATP-binding subunit FutC indicates that it has a functional ATPbinding site as well as conserved interactions with the channel-forming subunit FutB in the transporter complex. Polyamines are important for the cell proliferation, differentiation and apoptosis in prokaryotic and eukaryotic cells. In plants, polyamines have special roles in stress response and in plant survival. The polyamine metabolism in cyanobacteria in response to environmental stress is of interest in research on stress tolerance of higher plants. In this thesis, the potd gene encoding an polyamine transporter subunit from Synechocystis sp. strain PCC 6803 was characterized for the first time. A homology model built for PotD protein indicated that it has capability of binding polyamines, with the preference for spermidine. Furthermore, in order to investigate the structural features of the substrate specificity, polyamines were docked into the binding site. Spermidine was positioned very similarly in Synechocystis PotD as in the template structure and had most favorable interactions of the docked polyamines. Based on the homology model, experimental work was conducted, which confirmed the binding preference. Flavodiiron proteins (Flv) are enzymes, which protect the cell against toxicity of oxygen and/or nitric oxide by reduction. In this thesis, we present a novel type of photoprotection mechanism in cyanobacteria by the heterodimer of Flv2/Flv4. The constructed homology model of Flv2/Flv4 suggests a functional heterodimer capable of rapid electron transfer. The unknown protein sll0218, encoded by the flv2-flv4 operon, is assumed to facilitate the interaction of the Flv2/Flv4 heterodimer and energy transfer between the phycobilisome and PSII. Flv2/Flv4 provides an alternative electron transfer pathway and functions as an electron sink in PSII electron transfer.

Be-Fe coupled method for the analysis of 3D elastodynamic problems in the time domain

By coupling the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM) an algorithm that combines the advantages of both numerical processes is developed. The main aim of the work concerns the time domain analysis of general three-dimensional wave propagation problems in elastic media. In addition, mathematical and numerical aspects of the related BE-, FE- and BE/FE-formulations are discussed. The coupling algorithm allows investigations of elastodynamic problems with a BE- and a FE-subdomain. In order to observe the performance of the coupling algorithm two problems are solved and their results compared to other numerical solutions.

Application of a non isotropic turbulence model to stable atmospheric flows and dispersion over 3D topography

A non isotropic turbulence model is extended and applied to three dimensional stably stratified flows and dispersion calculations. The model is derived from the algebraic stress model (including wall proximity effects), but it retains the simplicity of the "eddy viscosity" concept of first order models. The "modified k-epsilon" is implemented in a three dimensional numerical code. Once the flow is resolved, the predicted velocity and turbulence fields are interpolated into a second grid and used to solve the concentration equation. To evaluate the model, various steady state numerical solutions are compared with small scale dispersion experiments which were conducted at the wind tunnel of Mitsubishi Heavy Industries, in Japan. Stably stratified flows and plume dispersion over three distinct idealized complex topographies (flat and hilly terrain) are studied. Vertical profiles of velocity and pollutant concentration are shown and discussed. Also, comparisons are made against the results obtained with the standard k-epsilon model.

The Shadow Moiré method using the phase shifting technique and digital image processing: computational implementation and application to the 3D-reconstruction of a buckled plate

The Shadow Moiré fringe patterns are level lines of equal depth generated by interference between a master grid and its shadow projected on the surface. In simplistic approach, the minimum error is about the order of the master grid pitch, that is, always larger than 0,1 mm, resulting in an experimental technique of low precision. The use of a phase shift increases the accuracy of the Shadow Moiré technique. The current work uses the phase shifting method to determine the surfaces three-dimensional shape using isothamic fringe patterns and digital image processing. The current study presents the method and applies it to images obtained by simulation for error evaluation, as well as to a buckled plate, obtaining excellent results. The method hands itself particularly useful to decrease the errors in the interpretation of the Moiré fringes that can adversely affect the calculations of displacements in pieces containing many concave and convex regions in relatively small areas.

Performance evaluation of 3D computer vision techniques

This work presents the implementation and comparison of three different techniques of three-dimensional computer vision as follows: • Stereo vision - correlation between two 2D images • Sensorial fusion - use of different sensors: camera 2D + ultrasound sensor (1D); • Structured light The computer vision techniques herein presented took into consideration the following characteristics: • Computational effort ( elapsed time for obtain the 3D information); • Influence of environmental conditions (noise due to a non uniform lighting, overlighting and shades); • The cost of the infrastructure for each technique; • Analysis of uncertainties, precision and accuracy. The option of using the Matlab software, version 5.1, for algorithm implementation of the three techniques was due to the simplicity of their commands, programming and debugging. Besides, this software is well known and used by the academic community, allowing the results of this work to be obtained and verified. Examples of three-dimensional vision applied to robotic assembling tasks ("pick-and-place") are presented.

Korkokäyrän mallintaminen: tarkastelussa Cox-Ingersoll-Ross -malli

Korot ovat erittäin tärkeässä osassa kaikessa taloudellisessa toiminnassa ja tästä syystä niiden kehitystä seurataan mielenkiinnolla. Yksi keino korkojen kehityksen tutkimiseen on rahoitusmarkkinoilla havaittavan korkokäyrän tarkastelu. Tämän tutkielman tarkoituksena on tarkastella Cox-Ingersoll-Ross-mallin soveltuvuutta korkokäyrän empiriseen mallintamiseen. Tässä tutkielmassa Cox-Ingersoll-Ross-malli estimoidaan pienimmän neliösumman – ja suurimman uskottavuuden –menetelmillä. Tutkimuksen datana käytetään 3 kuukauden euribor-korkojen ja Saksan valtion 3 kuukauden mittaisen joukkolainan päivätason tuottoja kolmelta eri vuoden mittaiselta periodilta. Mallin avulla estimoituja korkokäyriä verrataan samojen periodien lopussa rahoitusmarkkinoilla realisoituneisiin korkokäyriin. Estimoinnin tulosten perusteella Cox-Ingersoll- Ross-malli ei sovi varauksitta korkokäyrän mallintamiseen. Pienimmän neliösumman –menetelmän diagnostisista tarkastuksista käy ilmi, että menetelmä ei ole sopiva mallin estimoimiseen. Suurimman uskottavuuden –estimoinnin avulla estimoidut korkokäyrät eroavat kaikissa paitsi yhdessä tapauksessa melko selvästi realisoituneista korkokäyristä. Tutkielman tuloksissa on selviä yhtymäkohtia aiempien empiristen tutkimusten tuloksiin. Varsinkin mallin odotusarvohakuisuutta (mean reversion) kuvaavan parametrin estimoinnissa ilmenee epävarmuutta, mikä vaikuttaa koko mallin toimintaan. Sama tulos ilmenee myös aiemmista tutkimuksista, osassa jopa kyseenalaistetaan koko ilmiön olemassaolo. Tutkielman tuloksista voidaan päätellä, että yhden muuttujan Cox-Ingersoll-Ross-malli ei varauksitta sovellu korkokäyrän empiriseen mallintamiseen. Todennäköisiä syitä tähän ovat mallin tekemät epärealistiset taustaoletukset sekä se, että tarkasteluperiodien aikana Eurooppa kärsi velkakriisistä, mikä kevensi Euroopan keskuspankin rahapolitiikkaa ja alensi korkotasoa. Tämä seikka vaikuttaa eri periodien tulosten vertailukelpoisuuteen. Tutkielman johtopäätöksenä on, että yhden muuttujan mallien sijaan korkokäyrän mallintamisessa tulisi keskittyä 3 muuttujan malleihin. Tällöin jokaiselle korkokäyrän elementille: taso, kulmakerroin ja konveksisuus saataisiin oma muuttujansa. Tämä helpottaisi myös korkokäyrän volatiliteetin mallintamisessa, mikä osoittautuu ongelmalliseksi vain yhtä muuttujaa käytettäessä.

RBMK-koereaktorin mallintaminen

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia jäähdytteen poistamisen vaikutusta RBMK-koereaktorin kasvukertoimeen ja erityisesti sitä, kuinka hyvin Monte Carlo -menetelmää käyttävä Serpent-laskentakoodi pystyy mallintamaan jäähdytteen poistamisen vaikutuksen. Aluksi tarkastellaan taustatietoina käytettyä raporttia käsiteltävän koereaktorin kriittisyysajoista ja aiemmista simulaatioista, sekä RBMK-reaktorin ominaispiirteitä ja Monte Carlo -simulaation teoriaa. Seuraavaksi esitellään koereaktorista luotu malli, selitetään mallinnettaessa tehdyt yksinkertaistukset ja kuvataan simulaation alkutilanne. Lopuksi käsitellään simulaation tuloksia ja Serpentillä luodun mallin soveltuvuutta verrattuna aiemmin suoritettuihin simulaatioihin.

VIRVE-tukiaseman peittoalueen mallintaminen

Tekniikan kehityksen myötä reaalimaailman ilmiöitä voidaan mallintaa yhä tarkemmin. Tässä työssä tutkitaan VIRVE-radioverkon tukiaseman peittoalueen mallintamista. Työn tavoitteena oli mallintaa VIRVE-tukiaseman peittoalue mahdollisimman tarkasti. Tavoitteena oli myös löytää VIRVE-tukiasemaan peittoalueen kannalta nykyistä paremmat antenniratkaisut. Tutkimuksen teoreettisessa osuudessa selvitettiin tukiaseman peittoalueen mallintamiseen liittyviä tekijöitä, kuten radioaaltojen ominaisuuksia ja etenemismalleja sekä antennien teoriaa. Eri etenemismalleilla laskettuja tukiasemien peittoennusteita verrattiin empiirisesti toteutettuihin tukiasemien peittoalueiden mittaustuloksiin. Työn tuloksena löydettiin radioaaltojen etenemismalli, jolla mallinnettavien tukiasemien peittoalue-ennusteet vastasivat hyvin empiirisesti mitattuja tuloksia. Lisäksi löydettiin nykyistä paremmat antenniratkaisut VIRVE-tukiasemiin.

Työstövärähtelyt metallin sorvauksessa ja jyrsinnässä: perusteet, ehkäiseminen ja matemaattinen mallintaminen

Tämä kandidaatintyö on tarkoitettu suomenkieliseksi selvitykseksi lastuavissa työstöprosesseissa esiintyvien työstövärähtelyjen luonteesta, syntymekanismeista ja välttämismenetelmistä. Erityisesti työssä keskitytään matemaattiseen mallintamiseen pohjautuviin välttämismenetelmiin.

Kemikaalikiertopolttoon perustuvan höyryvoimalaitoksen mallintaminen IPSEpro:lla

Kandidaatintyön tavoitteena on suunnitella IPSEpro-ohjelmistolla kemikaalikiertopolttoa hyödyntävä höyryvoimalaitos. Kandidaatintyössä tutustutaan kemikaalikiertopolton pääperiaatteisiin ja etuihin hiilidioksidin talteenotossa. IPSEpromallin alkuarvot lasketaan Matlab-pohjaisella 0-D mallilla. IPSEpro-ohjelmistoa esitellään. IPSEpro:lla suunniteltu voimalaitos esitetään ja sitä verrataan kilpaileviin hiilidioksidin talteenottotekniikoihin. Kemikaalikiertopolttoon perustuva höyryvoimalaitos on kilpailukykyinen olemassa olevien teknologioiden kanssa polttoaineen ollessa maakaasua. Kiinteisiin polttoaineisiin siirryttäessä on suoritettava jatkotarkasteluita.