Simuloinnin hyödyntäminen kotihoidon kehittämisessä

Ikääntyvien ihmisten kasvava määrä tulevina vuosikymmeninä kuormittaa kaupunkien kotihoitoa enenemässä määrin. Kaupunkien rajalliset resurssit ovat jo nyt koetuksella, eikä nykyiseen tilanteeseen ole nähtävissä huomattavaa parannusta tulevina vuosina. Kotihoidon henkilöstön määrää ei pystytä kasvattamaan riittävästi suhteessa kasvavien asiakasvirtojen kanssa, jotta korkea palvelun laatu voitaisiin taata myös tulevaisuudessa. Lahden kaupungin kotihoito pyrkii etsimään teknisiä ratkaisuja kotihoidon haasteisiin muun muassa kotihoidon töiden jakamiseen kehitetyllä optimointialgoritmilla sekä simuloinnilla. Tämä diplomityö käsittelee toimintatutkimuksen avulla simuloinnin tuomia hyötyjä sekä rajoitteita Lahden kotihoidon näkökulmasta. Launeen alueen kotihoidon haasteita käydään läpi neljässä eri työpajassa. Työssä esitetään Quest-simulointiohjelmiston ominaisuuksia, sekä Launeen alueen simulointimallin luomista aina suunnittelusta verifiointiin. Työn tuottama lisäarvo kotihoidon kehittämisessä tulee ilmi neljässä eri vaihtoehtoajossa kotihoitajien asiakkaalta toiselle kulkemien matkojen ja matkoihin käytettyjen aikojen mittaamisessa.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

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.

Thermalhydraulic behavior of electrically heated rod during a critical heat flux transient

In nuclear reactors, the occurrence of critical heat flux leads to fuel rod overheating with clad fusion and radioactive products leakage. To predict the effects of such phenomenon, experiments are performed using electrically heated rods to simulate operational and accidental conditions of nuclear fuel rods. In the present work, it is performed a theoretical analysis of the drying and rewetting front propagation during a critical heat flux experiment, starting with the application of an electrical power step from steady state condition. After the occurrence of critical heat flux, the drying front propagation is predicted. After a few seconds, a power cut is considered and the rewetting front behavior is analytically observed. Studies performed with various values of coolant mass flow rate show that this variable has more influence on the drying front velocity than on the rewetting one.

Surface Tension Implementation for Gensmac2d

In the present work we describe a method which allows the incorporation of surface tension into the GENSMAC2D code. This is achieved on two scales. First on the scale of a cell, the surface tension effects are incorporated into the free surface boundary conditions through the computation of the capillary pressure. The required curvature is estimated by fitting a least square circle to the free surface using the tracking particles in the cell and in its close neighbors. On a sub-cell scale, short wavelength perturbations are filtered out using a local 4-point stencil which is mass conservative. An efficient implementation is obtained through a dual representation of the cell data, using both a matrix representation, for ease at identifying neighbouring cells, and also a tree data structure, which permits the representation of specific groups of cells with additional information pertaining to that group. The resulting code is shown to be robust, and to produce accurate results when compared with exact solutions of selected fluid dynamic problems involving surface tension.

Acceleration of Solar Energetic Particles in coronal shocks through self-generated turbulence

The acceleration of solar energetic particles (SEPs) by flares and coronal mass ejections (CMEs) has been a major topic of research for the solar-terrestrial physics and geophysics communities for decades. This thesis discusses theories describing first-order Fermi acceleration of SEPs through repeated crossings at a CME-driven shock. We propose that particle trapping occurs through self-generated Alfvén waves, leading to a turbulent trapping region in front of the shock. Decelerating coronal shocks are shown to be capable of efficient SEP acceleration, provided seed particle injection is sufficient. Quasi-parallel shocks are found to inject thermal particles with good efficiency. The roles of minimum injection velocities, cross-field diffusion, downstream scattering efficiency and cross-shock potential are investigated in detail, with downstream isotropisation timescales having a major effect on injection efficiency. Accelerated spectra of heavier elements up to iron are found to exhibit significantly harder spectra than protons. Accelerated spectra cut-off energies are found to scale proportional to (Q/A)^1.5, which is explained through analysis of the spectral shape of amplified Alfvénic turbulence. Acceleration times to different threshold energies are found to be non-linear, indicating that self-consistent time-dependent simulations are required in order to expose the full extent of acceleration dynamics. The well-established quasilinear theory (QLT) of particle scattering is investigated by comparing QLT scattering coefficients with those found via full-orbit simulations. QLT is found to overemphasise resonance conditions. This finding supports the simplifications implemented in the presented coronal shock acceleration (CSA) simulation software. The CSA software package is used to simulate a range of acceleration scenarios. The results are found to be in agreement with well-established particle acceleration theory. At the same time, new spatial and temporal dynamics of particle population trapping and wave evolution are revealed.

Virtuaalisimuloinnin käytettävyys PF-suodattimien hydraulijärjestelmien koulutuksessa, analysoinnissa ja vianmäärityksessä

Tämän työn tavoitteena oli luoda koulutusmateriaalia PF-suodattimien hydraulijärjestelmien koulutusta varten sekä selvittää Automation Studio-ohjelmiston soveltuvuutta PF-suodattimien analysointiin ja vianmääritykseen. Työssä tutkittiin myös aktivoivien koulutusmenetelmien vaikutusta oppimisprosessiin. Työn tärkeimpinä tuloksina saatiin opetusvideot PF-suodattimien hydraulijärjestelmissä käytettävistä peruskomponenteista sekä järjestelmien toimintaa kuvaavat opetusvideot. Työssä käytettyä mallinnus- ja simulointiohjelmistoa ei voida nykyisellä ohjelmaversiolla täysin soveltaa PF-suodattimien vianmääritykseen tai analysointiin. Työssä selvennettiin menestyksekkään vianmäärityksen ja analysoinnin kannalta tarvittavat laajennustarpeet ohjelmistoon. Koulutuksesta kerätyn palautteen perusteella opetusvideot yhdistettynä aktivoiviin koulutusmenetelmiin helpottavat PF-suodattimien hydraulijärjestelmien koulutusta sekä edistävät oppimisprosessia. Aktivoivia koulutusmenetelmiä voidaan pitää erityisesti soveltuvina aikuiskoulutukseen.

SDN in an ISP Environment

As computer networks grow larger and more complex there is a need for a new, simpler kind of approach to configuring them. Software Defined Networking (SDN) takes the control plane away from individual nodes and centralizes the network control by utilizing a flow based traffic management. In this thesis the suitability of SDN in a small ISP (Internet Service Provider) network is considered for an alternative to the current traditional core network and access network OSSs (Operations Support System), mainly to simplify the network management but also to see what else would SDN offer for such an environment. Combining information learned from a theoretical study on the matter to a more practical experiment of SDN network simulation using Mininet simulation software and OpenDayLight SDN controller software does this. Although the simulation shows that SDN is able to provide the functionality needed for the network, the immaturity of the technology suggests that for a small ISP network there is no need to utilize SDN just yet. For when SDN becomes more commonplace a brief transition plan is introduced.

SEPARATION OF SATURED AND UNSATURATED FATTY ACIDS FROM PALM FATTY ACIDS DISTILLATES IN CONTINUOUS MULTISTAGE COUNTERCURRENT COLUMNS WITH SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE AS SOLVENT: A PROCESS DESIGN METHODOLOGY

In this work the separation of multicomponent mixtures in counter-current columns with supercritical carbon dioxide has been investigated using a process design methodology. First the separation task must be defined, then phase equilibria experiments are carried out, and the data obtained are correlated with thermodynamic models or empirical functions. Mutual solubilities, Ki-values, and separation factors aij are determined. Based on this data possible operating conditions for further extraction experiments can be determined. Separation analysis using graphical methods are performed to optimize the process parameters. Hydrodynamic experiments are carried out to determine the flow capacity diagram. Extraction experiments in laboratory scale are planned and carried out in order to determine HETP values, to validate the simulation results, and to provide new materials for additional phase equilibria experiments, needed to determine the dependence of separation factors on concetration. Numerical simulation of the separation process and auxiliary systems is carried out to optimize the number of stages, solvent-to-feed ratio, product purity, yield, and energy consumption. Scale-up and cost analysis close the process design. The separation of palmitic acid and (oleic+linoleic) acids from PFAD-Palm Fatty Acids Distillates was used as a case study.

Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston so-veltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti rootto-rin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitu-losten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dyna-miikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin ele-menttimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysja-kaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan ana-lysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saa-tiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Biomassakattilan simulointi

Tässä diplomityössä mallinnetaan Apros-simulointiohjelmistolla kylläistä höyryä tuottava KPA Uniconin toimittama Biograte-kattilalaitos. Työ on rajattu käsittelemään vesihöyrypiiri syöttövesisäiliöstä prosessiin lähtevään höyryyn saakka. Savukaasupuoli on mallinnettu polttoaineen ja palamisilman syötöstä savupiippuun asti, mutta savukaasujen puhdistus on jätetty pois simulaatiomallista. Työssä kerrotaan yleisesti biopolttoaineista, kattilalaitoksista ja tulipesäratkaisuista. Simuloitava kattilalaitos ja sen säätöjärjestelmä käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Simuloinnista ja sen mahdollisuuksista kerrotaan yleisesti, jonka jälkeen esitellään tehty simulaatiomalli. Simulointituloksia verrataan kattilan mitoitusarvoihin ja tärkeimpien prosessisuureiden muutoksia tutkitaan kuormanmuutostilanteissa. Lopuksi tuloksista tehdään yhteenveto ja esitellään jatkotoimenpidesuunnitelmat. Simuloitu kattilalaitos tuottaa kylläistä höyryä halutun määrän oikeassa paineessa ja lämpötilassa. Kattilan prosessisuureet vastaavat melko hyvin mitoitusarvoja ja simulaatiomalli toimii vakaasti myös kuormanmuutostilanteissa. Suurimmat kompromissit ja yksinkertaistukset on tehty tulipesän ja polttoaineensyötön mallinnuksessa. Näitä osa-alueita kehittämällä simulaation tarkkuutta olisi mahdollista parantaa entisestään. Jatkossa simulointimallia on tarkoitus kehittää laajentamalla se kattamaan myös laitoksen sekundääripuoli kokonaisuudessaan. Tulosten perusteella simulaatiota voidaan pitää onnistuneena mallina Biograte-kattilalaitoksesta.

Effects of Fabrication Processes on the Behavior of S960 Ultra High Strength Steel (UHSS)

Strenx® 960 MC is a direct quenched type of Ultra High Strength Steel (UHSS) with low carbon content. Although this material combines high strength and good ductility, it is highly sensitive towards fabrication processes. The presence of stress concentration due to structural discontinuity or notch will highlight the role of these fabrication effects on the deformation capacity of the material. Due to this, a series of tensile tests are done on both pure base material (BM) and when it has been subjected to Heat Input (HI) and Cold Forming (CF). The surface of the material was dressed by laser beam with a certain speed to study the effect of HI while the CF is done by bending the specimen to a certain angle prior to tensile test. The generated results illustrate the impact of these processes on the deformation capacity of the material, specially, when the material has HI experience due to welding or similar processes. In order to compare the results with those of numerical simulation, LS-DYNA explicit commercial package has been utilized. The generated results show an acceptable agreement between experimental and numerical simulation outcomes.

Impact of considering the effects of latent heat on caldera-hosted hydrothermal systems

To investigate the thennal effects of latent heat in hydrothennal settings, an extension was made to the existing finite-element numerical modelling software, Aquarius. The latent heat algorithm was validated using a series of column models, which analysed the effects of penneability (flow rate), thennal gradient, and position along the two-phase curve (pressure). Increasing the flow rate and pressure increases displacement of the liquid-steam boundary from an initial position detennined without accounting for latent heat while increasing the thennal gradient decreases that displacement. Application to a regional scale model of a caldera-hosted hydrothennal system based on a representative suite of calderas (e.g., Yellowstone, Creede, Valles Grande) led to oscillations in the model solution. Oscillations can be reduced or eliminated by mesh refinement, which requires greater computation effort. Results indicate that latent heat should be accounted for to accurately model phase change conditions in hydrothennal settings.

Modélisation MHD tridimensionnelle de tubes de flux coronaux utilisant l'assimilation des donnés 4D-VAR

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Simulations magnétohydrodynamiques en régime idéal

Cette thèse s’intéresse à la modélisation magnétohydrodynamique des écoulements de fluides conducteurs d’électricité multi-échelles en mettant l’emphase sur deux applications particulières de la physique solaire: la modélisation des mécanismes des variations de l’irradiance via la simulation de la dynamo globale et la reconnexion magnétique. Les variations de l’irradiance sur les périodes des jours, des mois et du cycle solaire de 11 ans sont très bien expliquées par le passage des régions actives à la surface du Soleil. Cependant, l’origine ultime des variations se déroulant sur les périodes décadales et multi-décadales demeure un sujet controversé. En particulier, une certaine école de pensée affirme qu’une partie de ces variations à long-terme doit provenir d’une modulation de la structure thermodynamique globale de l’étoile, et que les seuls effets de surface sont incapables d’expliquer la totalité des fluctuations. Nous présentons une simulation globale de la convection solaire produisant un cycle magnétique similaire en plusieurs aspects à celui du Soleil, dans laquelle le flux thermique convectif varie en phase avec l’ ́energie magnétique. La corrélation positive entre le flux convectif et l’énergie magnétique supporte donc l’idée qu’une modulation de la structure thermodynamique puisse contribuer aux variations à long-terme de l’irradiance. Nous analysons cette simulation dans le but d’identifier le mécanisme physique responsable de la corrélation en question et pour prédire de potentiels effets observationnels résultant de la modulation structurelle. La reconnexion magnétique est au coeur du mécanisme de plusieurs phénomènes de la physique solaire dont les éruptions et les éjections de masse, et pourrait expliquer les températures extrêmes caractérisant la couronne. Une correction aux trajectoires du schéma semi-Lagrangien classique est présentée, qui est basée sur la solution à une équation aux dérivées partielles nonlinéaire du second ordre: l’équation de Monge-Ampère. Celle-ci prévient l’intersection des trajectoires et assure la stabilité numérique des simulations de reconnexion magnétique pour un cas de magnéto-fluide relaxant vers un état d’équilibre.