Fundamentals of heat transfer

Following over 170+ pages and additional appendixes are formed based on content of Course: Fundamentals of Heat Transfer. Mainly this summarizes relevant parts on Book of Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), but also other references introducing the same concepts are included. Student’s point of view has been consideredwith following highlights: (1) Relevant topics are presented in a nutshell to provide fast digestion of principles of heat transfer. (2) Appendixes include terminology dictionary. (3) Totally 22 illustrating examples are connecting theory to practical applications and quantifying heat transfer to understandable forms as: temperatures, heat transfer rates, heat fluxes, resistances and etc. (4) Most important Learning outcomes are presented for each topic separately. The Book, Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), is certainly recommended for those going beyond basic knowledge of heat transfer. Lecture Notes consists of four primary content-wise objectives: (1) Give understanding to physical mechanisms of heat transfer, (2)Present basic concepts and terminology relevant for conduction, convection and radiation (3) Introduce thermal performance analysis methods for steady state and transient conduction systems. (4) Provide fast-to-digest phenomenological understanding required for basic design of thermal models

Eri laskentamenetelmien vertailu hitsatun rakenteen väsymislaskennassa

Tässä työssä tutkittiin eri mitoitusmenetelmien soveltuvuutta hitsattujen rakenteiden vä-symislaskennassa. Käytetyt menetelmät olivat rakenteellinen jännityksen menetelmä, te-hollisen lovijännityksen menetelmä ja murtumismekaniikka. Lisäksi rakenteellisen jänni-tyksen määrittämiseksi käytettiin kolmea eri menetelmää. Menetelmät olivat pintaa pitkin ekstrapolointi, paksuuden yli linearisointi ja Dongin menetelmä. Väsymiskestävyys määritettiin kahdelle hitsiliitoksen yksityiskohdalle. Laskenta tehtiin käyttäen elementtimenetelmää rakenteen 3D-mallille. Tutkittavasta aggregaattirungosta oli olemassa FE-malli mutta alimallinnustekniikkaa hyödyntämällä pystyttiin yksityiskohtai-semmin tutkimaan vain pientä osaa koko rungon mallista. Rakenteellisen jännityksen menetelmä perustuu nimellisiin jännityksiin. Kyseinen mene-telmä ei vaadi geometrian muokkausta. Yleensä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytetään hitsin rajaviivan väsymislaskennassa, mutta joissain tapauksissa sitä on käytetty juuren puolen laskennassa. Tässä työssä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytettiin myös juuren puolen tutkimisessa. Tehollista lovijännitystä tutkitaan mallintamalla 1 mm fiktiiviset pyöristykset sekä rajaviivalle että juuren puolelle. Murtumismekaniikan so-veltuvuutta tutkittiin käyttämällä Franc2D särön kasvun simulointiohjelmaa. Väsymislaskennan tulokset eivät merkittävästi poikkea eri laskentamenetelmien välillä. Ainoastaan rakenteellisen jännityksen Dongin menetelmällä saadaan poikkeavia tuloksia. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että menetelmän laskentaetäisyydestä ei ole tietoa. Raken-teellisen jännityksen menetelmällä, tehollisen lovijännityksen menetelmällä ja murtumis-mekaniikalla saadaan samansuuntaiset tulokset. Suurin ero menetelmien välillä on mal-linnuksen ja laskennan vaatima työmäärä.

FAT-luokkien määritys hitsatuille levyliitoksille käyttämällä lineaarisen murtumismekaniikan särönkasvun simulointia

Työssä tutkittiin hitsattujen levyliitosten väsymiskestävyyden mitoitusarvoja. Hitsien väsymiskestävyyden mitoitusarvot määritettiin lineaarista murtumismekaniikkaa soveltavalla 2D FEM-laskentaohjelmalla. Murtumismekaanisen laskennan tuloksista määriteltiin, eri liitosgeometrioiden ja kuormitustyyppien mukaisia, nimellisen jännityksen väsymismitoitusmenetelmää vastaavia FAT-luokkia, joissa on huomioitu rakenteellinen jännitys hitsiä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tutkittujen liitosten geometriat olivat pääsääntöisesti poikkeavia mitoitusstandardien ja ohjeiden sisältämistä taulukkotapauksista. Laskennassa otettiin huomioon hitsien liittymiskulma perusaineeseen, rajaviivan pyöristykset ja vajaa hitsautumissyvyys. Kuormitustyyppien vaihtelua tutkittiin rakenteellisen jännityksen taivutusosuuden muutoksilla ja kuormaa kantavien X-liitosten risteävien kuormituksien suhteellisilla suuruuksilla. Väsymiskestävyydet määritettiin kuormituskohtaisille kalvo- ja taivutusjännityksille sekä näiden jännitysjakaumien keskiarvoille. Työssä saatuja FAT-luokkia voidaan hyödyntää vastaavien geometrioiden ja kuormitusten yhteydessä, sekä interpoloimalla myös tuloksien väliarvoissa. Työssä käytetyillä menetelmillä voidaan parantaa nimellisen jännityksen mitoitusmenetelmän tarkkuutta ja laajentaa sitä koskemaan myös taulukkotapausten ulkopuolisia liitoksia. Työn tuloksissa on esitetty FAT-luokkia T-, X- ja päittäisliitoksille ja näiden eri kuormitusyhdistelmille.

Sotilaslentäjien stressi ja voimavarat HW1-koulutusohjelmassa

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää mitä stressitekijöitä sotilaslentäjillä on lentopalveluksessa ja muussa elämässä. Tarkoituksena on selvittää, miten stressi ilmenee sekä millaisia stressinhallintamenetelmiä ja uusien voimavarojen hankintakeinoja tutkittavilla on. Tutkimuksen avulla pyritään myös arvioimaan eri lentolajien stressaavuutta sekä millainen stressitaso tutkittavilla on eri lentolajien aikana. Tutkimukseen osallistui 14 ohjaajalinjan kadettia, jotka opiskelevat ilmavoiminen kadettikurssilla 89. Aineisto kerättiin teemoitetun päiväkirjan ja avointen kysymysten avulla. Aineisto analysoitiin kvalitatiivisin menetelmin niin, että päiväkirjojen osalta käytettiin diskursiivista tarkastelutapaa ja kyselyn analysoinnissa käytettiin assosiatiivista menetelmää. Merkittävimmät stressitekijät lentopalveluksessa olivat hajanainen koulutus, epävarmuus ja kokemattomuus uuden konetyypin kanssa, karttojen piirtäminen, tarkastuslennot, koulutuksen liian suuri nousujohteisuus, väsymys, opettajien toiminta sekä uusimuotoinen koulutusjärjestelmä. Stressin todettiin ilmenevän pääasiassa psyykkisinä oireina, joita olivat esimerkiksi ärtymys ja jännitys. Voimavarojen hankintakeinoista tärkeimpinä pidettiin liikuntaa ja riittävää lepoa. Lentolajeista simulaattorivaihe koettiin stressaavimmaksi ja tutkittavien oma stressitaso oli kyseisessä lentovaiheessa korkeimmillaan. Tuloksia voidaan pitää mielenkiintoisina ajatellen koulutuksen kehittämistä jatkossa.

Improvement of wet and dry web properties in papermaking by controlling water and fiber quality

Pappersindustrin står inför många utmaningar och bör uppfylla krav som ställs av t.ex. marknadstrender och slutanvändare. Snabbare och effektivare processer ställer även större krav på pappersbanans mekaniska egenskaper. Avbrott i produktionen sker inte enbart pga. låg styrka utan orsaken kan även vara en för låg spänning i pappersbanan. De flesta problemen sker vid våtpressen och/eller i början av torkpartiet då papprets torrhalt är 30-70 %. Spänningen hålls inte konstant efter töjning, utan sjunker pga. papprets relaxering, som till största delen sker då pappret flyttas från pressen till torkpartiet. Ur forskningssynvinkel öppnar en smidigt fungerande verksamhet med potentiella energibesparingar upp möjligheterna för förbättring av befintliga processer. I detta arbete undersöktes hur olika faktorer inverkar på fibernätverkets avvattning, initiala våtstyrka och relaxering samt också på slutproduktens mekaniska egenskaper och ytegenskaper. I första delen ändrades processvattnets egenskaper, såsom pH, konduktivitet och ytspänning. Ytspänningen varierades genom tillsatts av ett nonjoniskt ytaktivt ämne, s.k. surfaktant. Fiberegenskaperna modifierades också. Fibern maldes antingen genom en mild eller genom en hård process. Effekten av finmaterial undersöktes genom att tillsätta finmaterial till den ursprungliga massan eller genom att avlägsna finmaterialet från den malda massan. I den sista delen användes en hemicellulosa, som finns i stora mängder i gran, som tillsatsmedel. Förutom naturliga galaktoglukomannaner (GGM), tillverkades också en katjoniserad, en karboximetylerad samt en iminerad, amfifil GGM. Dessa användes i pappersmassa eller sprayades på ytan av ett nybildat ark. Resultaten, som erhölls i denna avhandling, bildar en värdefull kunskapsbas, som kan användas för kontroll och reglering av pappersmaskinens körbarhet och papperskvalitet.

Rivan kärjen jännityskomponentit

Tässä kandidaatin työssä on tutkitti miten eri jännityskomponentit käyttäytyvät rivan kärjen läheisyydessä. Työssä tutkittiin kahta eri mallia, rivallista levyä ja rivallista levyä hitsauksesta johtuvalla kulmavetäymällä. Tutkimus suoritettiin FEA-analyysin avulla. Komponenttien käyttäytymistä tutkittiin sekä veto- että taivutuskuormituksella. Tuloksissa on verrattu miten kulmavetäymä vaikuttaa komponenttien syntyyn ja miten eri kuormituksilla saadut tulokset poikkeavat toisistaan.

Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Defining of the material models for stainless steels to be used in FE modeling

The aim of this work is to study the results of tensile tests for austenitic stainless steel type 304 and make accurate FE-models according to the results of the tests. Tensile tests were made at Central Research Institute of Structural Material, Prometey at Saint Petersburg and Mariyenburg in Russia. The test specimens for the tensile tests were produced at Lappeenranta University of Technology in a Laboratory of Steel Structures. In total 4 different tests were made, two with base material specimens and two with transverse butt weld specimens. Each kind of a specimen was tested at room temperature and at low temperature. By comparing the results of room and low temperature tests of similar test specimen we get to study the results of work hardening that affect the austenitic steels at below room temperature. The produced specimens are to be modeled accurately and then imported for nonlinear FEM- analyzing. Using the data gained from the tensile tests the aim is to get the models work like the specimens did during the tests. By using the analyzed results of the FE-models the aim is to calculate and get the stress-strain curves that correspond to the results acquired from the tensile tests.

Notchikololiitosten FE-analyysit

Työn kandidaatintyössä tutkittiin kolollisen levyrakenteen hot spot -jännityksiä ja väsymiskestävyyttä varioimalla kolon sädettä. Työssä haluttiin selvittää, kuinka hot spot -jännitykset, rakenteen kestoikä ja rakenteen kriittinen kohta muuttuvat, kun kolon sädettä muutetaan. Työn tavoitteena oli myös tutkia, kuinka laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden ja tietokoneella laskettujen elementtimallien tulokset eroavat toisistaan.

Tilttisangan väsymiskestävyys

Kandidaatin työssä tutkittiin tilttisangan väsymiskestävyyttä laboratoriokokeella. Tilttisangalle laskettiin myös teoreettinen väsymiskestoikä nimellisen jännityksen menetelmällä. Tutkimustulosten perusteella havaittiin tilttisangan väsymisen kannalta kriittiseksi kohdaksi kuormaa kantamattoman korvakkeen hitsausliitos.

K-liitoksen epäkeskeisen tuennan aiheuttaman sekundäärisen momentin määritys

Työssä on tutkittu laboratoriokokeen ja elementtimenetelmän avulla eri geometrioiden vaikutusta sekundääriseen momentin syntymiseen K-liitoksella. Kokeen liitos on tehty S700-lujuusluokan Ruukin Optim 700 plus MH nelikulmaisista rakenneputkista (RHS). Elementtimalleissa on käytetty geometrista ja materiaalista epälineaarisuutta ennustamaan liitoksen muodonmuutoskykyä ja laskennallista kestävyyttä. Liitoksen elementtimalleissa muutettavia geometrioita ovat: vapaaväli, uumasauvan ja paarteen välinen kulma, paarteen seinämän paksuus, liitoksen eksentrisyys ja uumasauvan ja paarteen leveyden suhde. Laboratoriokokeen liitoksen vetouumasauvassa vaikuttava sekundäärisen momentin aiheuttama jännitys on noin 25 % vetouumasauvan myötörajasta. Suurin sekundäärinen momentti syntyy, kun vapaaväliä pienennetään ja uumasauvaa kavennetaan paarteeseen nähden. Eurocode 3:n mitoitusohjeita voidaan elementtimallien perusteella soveltaa tietyille geometrioille turvallisesti.

Uridiini- ja sytidiinimolekyylien hajoamisprosessien tutkimusta massaspektroskopian avulla

DNA- ja RNA-molekyylit sisältävät kaiken eliöiden geneettisen tiedon. Nämä molekyylit vahingoittuvat helposti ulkoisen voiman, esimerkiksi säteilyn vaikutuksesta. Vaurioitunut rakenne voi joissakin tapauksissa korjautua, mutta jos korjausmekanismi tapahtuu virheellisesti tai sen suorittaminen ei ole mahdollista, on seurauksena ohjelmoitu solukuolema eli apoptoosi. Jos vaurioitunut ja apoptoosiin ohjautunut solu ehtii jakaantumaan, voi seurauksena olla pahanlaatuinen muutosketju, jossa syntyy mutaatioita. Säteilyn, esimerkiksi ultraviolettisäteilyn vaikutusta DNA- ja RNA- molekyylien ja niiden rakenneosien hajoamiseen tutkitaan nykyään paljon. Tutkimukset ovat painottuneet erityisesti pienempien rakenneosien hajoamisten tutkimiseen. Näin on saatu hyödyllistä tietoa siitä, millaisia vaikutuksia substituenteilla ja funktionaalisilla ryhmillä on molekyyliin ja sen hajoamiseen. Tässä Pro gradu-tutkielmassa tutkittiin kaasumaisten RNA:n nukleosidien, uridiinin ja sytidiinin termistä fragmentaatiota eli hajoamista lämpötilan vaikutuksesta, kun niitä samaan aikaan ionisoitiin ultraviolettisäteilyllä. Tutkimuslaitteena käytettiin TOF- eli lentoaikamassaspektrometriä. Näytemolekyylien ionisoimiseen käytettyä ultraviolettisäteilyä tuotettiin uridiinin mittauksissa synkrotronilla ja sytidiinin mittauksissa kaasupurkauslampulla. Tutkielman tarkoituksena oli selvittää yhtäläisyyksiä näiden kahden nukleosidin fragmentaatioiden välillä. Tuloksista huomattiin, että uridiinin terminen fragmentaatio alkaa lämpötilassa T = 125 ˚C. Ultraviolettisäteilyn vaikutuksia molekyyliin voidaan tutkia ennen termisen fragmentaation alkamista. Sytidiinin terminen fragmentaation tapahtuu niin nopeasti ja alhaisissa lämpötiloissa, että varsinaisia säteilyn vaikutuksia näytteeseen ei ehditä tarkastelemaan tällä menetelmällä. Tuloksista voidaan todeta, että nukleosidien hajoaminen ei ole suoraviivaista eikä noudata aina samaa kaavaa.

Ultralujan teräksen kaarijuotto

Tässä diplomityössä tutkitaan ultralujan rakenneteräksen kaarijuotolla valmistettujen liitosten väsymiskestävyyttä. Tutkittavat liitokset ovat kuormaa kantamattomia X-liitoksia. Tutkinnassa vertaillaan puhtaasti juottamalla valmistettua liitosta hitsauksen ja juoton kombinaatioliitokseen, jossa pohjapalkona toimivan hitsin rajaviivalle on juotettu lisäpalko. Kaarijuottoa esitellään yleisesti liittämismenetelmänä. Ultralujaa rakenneterästä esitellään yleisesti ja tarkastellaan sen metallurgista käyttäytymistä sekä juotettaessa, että hitsattaessa. Tutkimuksessa tehtiin kaikkiaan 21 väsytystestiä. Väsytystestit muodostuivat kolmesta eri koekappalesarjasta. Ensimmäisen ja toisen sarjan koekappaleet tehtiin juottamalla, eri lisäaineilla. 3. sarjassa pienat hitsattiin, jonka jälkeen hitsin rajaviivalle tehtiin juotto. Kappaleiden geometriat mitattiin ennen testejä, ja osasta kappaleista mitattiin jäännösjännitykset. Kappaleista otettiin hieitä, joista tehtiin kovuusmittaukset ja suoritettiin makro- ja mikrotason tarkastelua liitosprosessin lämmöntuonnin vaikutuksesta. Väsytyskokeiden perusteella kappaleille määritettiin nimelliset ja rakenteelliset väsymisluokat. Tuloksista piirrettiin S-N –käyrät. Liitoksista tehtiin FEA-mallit, joista määritettiin liitoksen rajaviivalle muodostuva jännitys ja 2. sarjan koekappaleiden laskennalliset kestoiät. 1. sarjan juotoksissa oli ongelmana juotoksen tarttuvuus teräksen pintaan. 2. sarjan koetulokset olivat kaikkein parhaita. 3. sarjan kombinaatioliitokset ylsivät kohtalaisiin väsymisluokkiin. 2. sarjan koetulosten perusteella kaarijuotossa on potentiaalia ultralujan rakenneteräksen liittämismenetelmänä. Jatkotutkimuksen tarve on kuitenkin laaja. Tämä työ osoitti, että kaarijuottaminen voi olla vaativa liittämisprosessi, sillä toimiakseen se vaatii varsin tarkat parametrit, ja lisäksi prosessi on melko herkkä olosuhdemuutoksille.