Work Zone Simulation Model, 1999

To support the analysis of driver behavior at rural freeway work zone lane closure merge points, Center for Transportation Research and Education staff collected traffic data at merge areas using video image processing technology. The collection of data and the calculation of the capacity of lane closures are reported in a companion report, "Traffic Management Strategies for Merge Areas in Rural Interstate Work Zones". These data are used in the work reported in this document and are used to calibrate a microscopic simulation model of a typical, Iowa rural freeway lane closure. The model developed is a high fidelity computer simulation with an animation interface. It simulates traffic operations at a work zone lane closure. This model enables traffic engineers to visually demonstrate the forecasted delay that is likely to result when freeway reconstruction makes it necessary to close freeway lanes. Further, the model is also sensitive to variations in driver behavior and is used to test the impact of slow moving vehicles and other driver behaviors. This report consists of two parts. The first part describes the development of the work zone simulation model. The simulation analysis is calibrated and verified through data collected at a work zone in Interstate Highway 80 in Scott County, Iowa. The second part is a user's manual for the simulation model, which is provided to assist users with its set up and operation. No prior computer programming skills are required to use the simulation model.

A numeric model to simulate solar individual ultraviolet exposure.

Exposure to solar ultraviolet (UV) light is the main causative factor for skin cancer. UV exposure depends on environmental and individual factors. Individual exposure data remain scarce and development of alternative assessment methods is greatly needed. We developed a model simulating human exposure to solar UV. The model predicts the dose and distribution of UV exposure received on the basis of ground irradiation and morphological data. Standard 3D computer graphics techniques were adapted to develop a rendering engine that estimates the solar exposure of a virtual manikin depicted as a triangle mesh surface. The amount of solar energy received by each triangle was calculated, taking into account reflected, direct and diffuse radiation, and shading from other body parts. Dosimetric measurements (n = 54) were conducted in field conditions using a foam manikin as surrogate for an exposed individual. Dosimetric results were compared to the model predictions. The model predicted exposure to solar UV adequately. The symmetric mean absolute percentage error was 13%. Half of the predictions were within 17% range of the measurements. This model provides a tool to assess outdoor occupational and recreational UV exposures, without necessitating time-consuming individual dosimetry, with numerous potential uses in skin cancer prevention and research.

Reaction-diffusion lattice gas: Theory and computer results

We report on the study of nonequilibrium ordering in the reaction-diffusion lattice gas. It is a kinetic model that relaxes towards steady states under the simultaneous competition of a thermally activated creation-annihilation $(reaction$) process at temperature T, and a diffusion process driven by a heat bath at temperature T?T. The phase diagram as one varies T and T, the system dimension d, the relative priori probabilities for the two processes, and their dynamical rates is investigated. We compare mean-field theory, new Monte Carlo data, and known exact results for some limiting cases. In particular, no evidence of Landau critical behavior is found numerically when d=2 for Metropolis rates but Onsager critical points and a variety of first-order phase transitions.

Vaneri- ja kertopuutehtaiden kuivatuskoneiden lämmöntalteenottojen järjestelmäselvitys

Vanerin tai kertopuun valmistusprosessissaviilun kuivaukseen käytetään suurin osa koko valmistusprosessin primäärienergiasta. Viilunkuivauskoneessa viilun sisältämä vesi siirretään tyypillisesti prosessihöyryllä lämmitettyyn viilunkuivaajan kiertoilmaan höyrystämällä ja poistetaanviilunkuivaajasta poistoilman mukana. Viilunkuivaajan poistoilma on lämmintä jaerittäin suuren kosteuspitoisuutensa takia sisältää runsaasti energiaa. Tyypillisellä viilunkuivaajalla poistoilmaan sitoutunut lämpöteho vaihtelee prosessiolosuhteista riippuen välillä 2,7-5,7 MW. Diplomityössä tutkittiin viilunkuivaajan poistoilman sisältämän lämmön talteenottoa laitteistolla, johon kuuluu lämmöntalteenottopesuri, jossa poistoilmalla lämmitetään tuotantolaitoksen tukkipuun hautomon kiertovettä sekä ilma-ilma-lämmönsiirrin, jolla lämmitetään pesurista poistuvan ilman jäännöslämmöllä ulkoilmaa tehdassalin tuloilmakäyttöön. Työn tavoitteena oli kehittää lämmöntalteenottojärjestelmän suunnittelua, mitoitusta ja ajotapoja. Työssä analysoitiin teoreettisesti pesuria ja ilmalämmönsiirrintä, kehitettiin lämmöntalteenottopesurin simulointimenetelmä ja mitattiin toiminnassa olevia talteenottolaitteistoja. Tutkimuksessa todettiin lämmöntalteenottohyötysuhteen vaihtelevan lämmityskaudella välillä 50-70 %. Lämmöntalteenottolaitteiston pesurin veteen saatava teho riippuu ensisijaisesti viilunkuivaajan poistoilman lämpösisällöstä, joka on enimmäkseen kosteusriippuvainen ja ilmanvaihtoilmaan saatava teho ulkolämpö-tilan määräämästä tehontarpeesta. Pesurin vesijärjestelmän vaikutusmekanismit pesurin suorituskykyyn tunnistettiin ja niiden pohjalta annetaan suositukset mitoitukseen ja ajotapaan. Lämmöntalteenottolaitteiston lämpötehon tasapainottamiseen pesurin ja ilma-ilma-lämmönsiirtimen välillä mitoituksen avulla esitellään työkalut.

Computational Approach to the Study of Thermal Spin Crossover Phenomena

The key parameters associated to the thermally induced spin crossover process have been calculated for a series of Fe(II) complexes with mono-, bi-, and tridentate ligands. Combination of density functional theory calculations for the geometries and for normal vibrational modes, and highly correlated wave function methods for the energies, allows us to accurately compute the entropy variation associated to the spin transition and the zero-point corrected energy difference between the low- and high-spin states. From these values, the transition temperature, T 1/2, is estimated for different compounds.

Relation between sequence and structure of HIV-1 protease inhibitor complexes: a model system for the analysis of protein flexibility.

The flexibility of different regions of HIV-1 protease was examined by using a database consisting of 73 X-ray structures that differ in terms of sequence, ligands or both. The root-mean-square differences of the backbone for the set of structures were shown to have the same variation with residue number as those obtained from molecular dynamics simulations, normal mode analyses and X-ray B-factors. This supports the idea that observed structural changes provide a measure of the inherent flexibility of the protein, although specific interactions between the protease and the ligand play a secondary role. The results suggest that the potential energy surface of the HIV-1 protease is characterized by many local minima with small energetic differences, some of which are sampled by the different X-ray structures of the HIV-1 protease complexes. Interdomain correlated motions were calculated from the structural fluctuations and the results were also in agreement with molecular dynamics simulations and normal mode analyses. Implications of the results for the drug-resistance engendered by mutations are discussed briefly.

Learning through Computer Model Improvisations

It has been convincingly argued that computer simulation modeling differs from traditional science. If we understand simulation modeling as a new way of doing science, the manner in which scientists learn about the world through models must also be considered differently. This article examines how researchers learn about environmental processes through computer simulation modeling. Suggesting a conceptual framework anchored in a performative philosophical approach, we examine two modeling projects undertaken by research teams in England, both aiming to inform flood risk management. One of the modeling teams operated in the research wing of a consultancy firm, the other were university scientists taking part in an interdisciplinary project experimenting with public engagement. We found that in the first context the use of standardized software was critical to the process of improvisation, the obstacles emerging in the process concerned data and were resolved through exploiting affordances for generating, organizing, and combining scientific information in new ways. In the second context, an environmental competency group, obstacles were related to the computer program and affordances emerged in the combination of experience-based knowledge with the scientists' skill enabling a reconfiguration of the mathematical structure of the model, allowing the group to learn about local flooding.

A semi-grand canonical Monte Carlo simulation model for ion binding to ionizable surfaces: Proton binding of carboxylated latex particles as a case study

In this paper, we present a computer simulation study of the ion binding process at an ionizable surface using a semi-grand canonical Monte Carlo method that models the surface as a discrete distribution of charged and neutral functional groups in equilibrium with explicit ions modelled in the context of the primitive model. The parameters of the simulation model were tuned and checked by comparison with experimental titrations of carboxylated latex particles in the presence of different ionic strengths of monovalent ions. The titration of these particles was analysed by calculating the degree of dissociation of the latex functional groups vs. pH curves at different background salt concentrations. As the charge of the titrated surface changes during the simulation, a procedure to keep the electroneutrality of the system is required. Here, two approaches are used with the choice depending on the ion selected to maintain electroneutrality: counterion or coion procedures. We compare and discuss the difference between the procedures. The simulations also provided a microscopic description of the electrostatic double layer (EDL) structure as a function of pH and ionic strength. The results allow us to quantify the effect of the size of the background salt ions and of the surface functional groups on the degree of dissociation. The non-homogeneous structure of the EDL was revealed by plotting the counterion density profiles around charged and neutral surface functional groups. © 2011 American Institute of Physics.

A Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging.

The energy demands of the brain are high: they account for at least 20% of the body's energy consumption. Evolutionary studies indicate that the emergence of higher cognitive functions in humans is associated with an increased glucose utilization and expression of energy metabolism genes. Functional brain imaging techniques such as fMRI and PET, which are widely used in human neuroscience studies, detect signals that monitor energy delivery and use in register with neuronal activity. Recent technological advances in metabolic studies with cellular resolution have afforded decisive insights into the understanding of the cellular and molecular bases of the coupling between neuronal activity and energy metabolism and point at a key role of neuron-astrocyte metabolic interactions. This article reviews some of the most salient features emerging from recent studies and aims at providing an integration of brain energy metabolism across resolution scales.

Energiataseen hallinta ja optimointi metsäteollisuusintegraatissa

Diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan tehtailla Lappeenrannassa. Integroidussa metsäteollisuudessa energiantuotanto koostuu yleensä sähkön- ja lämmöntuotannosta. Kaukaan tehtailla prosessien lämmöntarve saadaan katettua kokonaisuudessaan omalla tuotannolla, kun taas kulutetusta sähköstä ainoastaan puolet on tuotettu itse. Loput sähköntarpeesta joudutaan ostamaan ulkopuolelta. Tutkimuksen pääpaino on ollut selvittää, miten kustannukset ovat riippuvaisia energiantuotannosta erilaisissa käyttöolosuhteissa. Työn tuloksena on luotu tietokonepohjainen laskentamalli, jonka avulla Kaukaan tehtaiden energiantuotantoa voidaan ohjata taloudellisesti optimaalisimmalla tavalla kulloinkin vallitsevassa käyttötilanteessa. Lisäksi tutkimuksessa on analysoitu tehdasintegraatin lämmönkulutuksen seurannan mahdollisuuksia lämmönsiirtoverkon nykyisten mittausten perusteella. Työssä on kerrottu yleisesti metsäteollisuuden energiankulutuksesta Suomessa. Lisäksi on esitetty arvioita energiankulutuksen kehityksestä tulevaisuudessa sekä keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi. Kaukaan tehtailla lämmönkulutuksen seurantaan käytettävät mittausmenetelmät ja -laitteet on esitelty virtausmittausten osalta sekä arvioitu nykyisten mittausten luotettavuutta ja riittävyyttä kokonaisvaltaisen lämpötaseen hallintaan. Kaukaan tehtaiden energiantuotantojärjestelmästä on luotu termodynaaminen malli, johon energiantuotannosta aiheutuneiden kustannusten laskenta perustuu. Energiantuotannon optimoinnilla pyritään määrittelemään tietyn tarkasteluhetken käyttötilanteessa taloudellisesti optimaalisin kattiloiden ajojärjestys. Tarkastelu on rajattu lämmöntuotannon lisäämisen osalta maakaasun käytön lisäämiseen ja höyryturbiinien ohitukseen. Sähkön ja maakaasun hinnan sekä ympäristön lämpötilan vaihtelujen vaikutusta optimaaliseen ajojärjestykseen on havainnollistettu esimerkkien avulla.

Kiinteistön palautetiedon analysointi

Diplomityö käsittelee kiinteistön palautetiedon analysointia. Tässä diplomityössä palautetiedolla tarkoitetaan kiinteistön talotekniikkaan liittyviä teknisiä ja inhimillisiä tietoja, joiden perusteella rakennuksen ja sen tekniikan toimivuudesta voidaan tehdä päätelmiä. Tiedot kerätään järjestelmistä mittauspisteiden kautta etävalvomoon, josta niitä voidaan tarkastella ja edelleen analysoida. Valvomosta saatavan tiedon rinnalle pyritään suunnitteluvaiheessa kokoamaan valvottavasta kohteesta laskennallisia energiankulutusmalleja. Myös kiinteistön asukkaat, rakennuksen ominaisuudet ja ympäristö muodostavat osan palautetiedosta. Kiinteistön palautetieto voidaankin jakaa tekniseen ja inhimilliseen tietoon, ja edelleen analysoinnin kannalta staattiseen tai dynaamiseen tietoon. Tässä diplomityössä selvitettiin palautetiedon keruuta etävalvomolla yhdistämällä tähän rakentamisen laadunvalvonnan työkaluja ja sumeaa logiikkaa. Työn käytännön osio koostuu kiinteistön ja siihen yhdistetyn etävalvomon välillä kulkevan tiedon käsittelystä, mittauspisteiden määrittämisestä ja tietojen analysoinnista. Työssä esitellään kolme esimerkkikohdetta Helsingin seudulta. Työssä laadittiin arviointimalli, joka sisältää kaiken kiinteistön palautetietoon liittyvän aineiston ja sen analysointitavat, sekä erityisesti uutena asiana myös sumeaa logiikkaa. Tiedon analysointi etenee oletusarvojen muodostamisesta, simuloinnin laatimisesta ja sen vertaamisesta todellisiin tietoihin ja edelleen näistä tehtäviin päätelmiin. Tavanomaisten teknisten tietojen lisäksi sumean logiikan avulla tuotiin esille poikkeamia selittäviä tekijöitä mm. kiinteistön asukkaiden ominaisuuksista.

The role of intramolecular barriers on the glass transition of polymers: computer simulations versus mode coupling theory

We present computer simulations of a simple bead-spring model for polymer melts with intramolecular barriers. By systematically tuning the strength of the barriers, we investigate their role on the glass transition. Dynamic observables are analyzed within the framework of the mode coupling theory (MCT). Critical nonergodicity parameters, critical temperatures, and dynamic exponents are obtained from consistent fits of simulation data to MCT asymptotic laws. The so-obtained MCT λ-exponent increases from standard values for fully flexible chains to values close to the upper limit for stiff chains. In analogy with systems exhibiting higher-order MCT transitions, we suggest that the observed large λ-values arise form the interplay between two distinct mechanisms for dynamic arrest: general packing effects and polymer-specific intramolecular barriers. We compare simulation results with numerical solutions of the MCT equations for polymer systems, within the polymer reference interaction site model (PRISM) for static correlations. We verify that the approximations introduced by the PRISM are fulfilled by simulations, with the same quality for all the range of investigated barrier strength. The numerical solutions reproduce the qualitative trends of simulations for the dependence of the nonergodicity parameters and critical temperatures on the barrier strength. In particular, the increase in the barrier strength at fixed density increases the localization length and the critical temperature. However the qualitative agreement between theory and simulation breaks in the limit of stiff chains. We discuss the possible origin of this feature.

Performance Analysis of Two Quantum Reaction Dynamics Codes: Time-Dependent and Time-Independent Strategies

The computer simulation of reaction dynamics has nowadays reached a remarkable degree of accuracy. Triatomic elementary reactions are rigorously studied with great detail on a straightforward basis using a considerable variety of Quantum Dynamics computational tools available to the scientific community. In our contribution we compare the performance of two quantum scattering codes in the computation of reaction cross sections of a triatomic benchmark reaction such as the gas phase reaction Ne + H2+ %12. NeH++ H. The computational codes are selected as representative of time-dependent (Real Wave Packet [ ]) and time-independent (ABC [ ]) methodologies. The main conclusion to be drawn from our study is that both strategies are, to a great extent, not competing but rather complementary. While time-dependent calculations advantages with respect to the energy range that can be covered in a single simulation, time-independent approaches offer much more detailed information from each single energy calculation. Further details such as the calculation of reactivity at very low collision energies or the computational effort related to account for the Coriolis couplings are analyzed in this paper.

TMP- laitoksen mallinnus ja simulointi

Diplomityössä tehtiin Balas- simulointimalli Stora Enso Publication Papers Oy Ltd Varkauden tehtaiden kuumahierrelaitoksesta, johon sovitettiin tehtaan lämpö-, kuitu- ja kiertovesivirtaukset sekä kiertovesissä olevien liuenneiden ja kolloidisten aineiden virtaukset. Kirjallisuusosassa perehdyttiin simulaattorimallin luontiin ja käyttötarkoituksiin. Siinä käsitellään Balas- simulaattorin ominaisuuksia ja laiteparametrointia. Tarkastellaan kuumahierreprosessin eri vaiheita, olosuhteita ja laitteiden toimintaa. Perehdytään prosessin energian kulutukseen ja talteenottoon sekä kiertovesien liuenneiden ja kolloidisten aineiden mittaussuureisiin ja vaikutuksiin prosessissa. Simulaattorimallin tekemiseen kuului tehtaan virtauskaavion ja simulaattorimallin tekeminen, mittauskoesuunnittelu, tehdasmittaukset, simulaattorin parametrointi, mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittaminen sekä mallin kelpoistaminen. Tehtaan virtauskaavion piirtämisessä käytettiin apuna tehtaan prosessi- ja instrumentointikaavioita, joiden pohjalta mittauskoesuunnitelma ja simulaattorimalli tehtiin. Koesuunnitelman mittaussuureiksi valittiin virtaukset, sakeudet, lämpötilat sekä kiertovesien kiintoaineen-, kokonaisorgaanisen hiilen- ja liuenneen orgaanisen aineen pitoisuuksien määritykset. Mittauksilla saatiin tietoja prosessivirtausten taseista, joita käytettiin simulaattorimallin keskeisempien laiteparametriarvojen määrityksessä. Exceliä hyödynnettiin mittaus- ja simulaattoritulosten taulukoinnissa, laiteparametrien laskemisessa sekä arvojen syötössä ja vastaanotossa Excelin ja simulaattorin välillä. Sitä käytettiin myös graafisessa mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittamisessa, jolla pystyttiin havainnollisesti näkemään eri syöttöparametrien muutoksien vaikutukset simulaattorin laskemissa virtaustuloksissa. Mallin antamien arvojen ja todellisten prosessimittausarvojen yhteensovittamisen ja mallista varmistumisen tuloksista voidaan todeta mallin korreloivan todellista prosessia melko hyvin.

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.