Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Innovaatio-ohjelmatoiminnan suorituskyvyn mittaus

Tutkimuksen tavoitteena on luoda viitekehys yritysten innovaatiotoimintaa ohjelmatoiminnalla tukevan julkisen organisaation suorituskyvyn mittaamiseksi. Tutkimus on luonteeltaan tapaustutkimus ja tutkimusotteena siinä käytetään toiminta-analyyttistä tutkimusotetta. Tutkimuksen empiirinen aineisto kerättiin havainnoimalla, keskusteluilla, haastatteluilla sekä ryhmätyöskentely-menetelmillä. Luodun viitekehyksen mukaan innovaatiotoimintaa ohjelmatoiminnalla tukevan julkisen organisaation tuottama julkinen arvo syntyy pienentämällä innovaatio-toiminnan markkina- ja järjestelmähäiriöitä, joka tapahtuu tarjoamalla rahalista tukea sekä palveluita. Näin innovaatiotoiminnan tuloksellisuus ja positiiviset ulkoisvaikutukset lisääntyvät. Tämä johtaa lopulta talouden kasvamiseen sekä yhteiskunnan ja ympäristön hyvinvointiin. Innovaatiotuella voidaan säädellä myös innovaatiotoiminnan aluetta ja näin luoda arvoa pureutumalla yhteiskunnan ongelmakohtiin. Tämän lisäksi kansalaisille on todennäköisesti arvokasta organisaatiota kohtaan tuntema luottamus, jota kasvattavat luultavasti esimerkiksi resurssien tehokas käyttö, oikeudenmukainen toiminta, asiakkaiden yhden-mukainen kohtelu, todennetut tulokset ja vaikutukset sekä toiminnan läpinäkyvyys. Viitekehyksen pohjalta muodostettiin Ohjelmat-ydinprosessin suorituskyvyn mittaristo. Aluksi kuvattiin ydinprosessin tavoitteet, joita tarkennettiin vaikuttavuusmallilla sekä sidosryhmäanalyysillä. Seuraavaksi muodostettiin ydinprosessille strategiakartta ja tunnistettiin sen kriittiset menestystekijät. Tuloksena syntyi mittaristo, jossa on 84 potentiaalista prosessin suorituskykyä mittaavaa mittaria. Lopuksi mittaristoa tarkasteltiin kokonaisuutena ja todettiin se kohtalaisen hyvin onnistuneeksi.

Jäitä koppalakkiin

Kommentti kirja-arvosteluun: Taiteenfilosofian klassikko raakakäännöksenä / Pentti Määttänen (Tieteessä tapahtuu 1/2011).

Taiteenfilosofian klassikko raakakäännöksenä

Kirjallisuusarvostelu

Anhavan kiukunpurkaus

Vastine Jaakko Anhavan kirjoitukseen: Linkolan eksymys (Tieteessä tapahtuu 2/2011).

Monitieteisesti suhteestamme menneisyyteen

Kirjallisuusarvostelu

[Kirja-arvostelu]

Kirjallisuusarvostelu

Mikkelin Pursialan pohjavesialueen haitta-aineet

Mikkelin talousvedestä kahden kolmasosan tullessa Pursialan pohjavesialueelta on alueen suojeleminen tärkeää. Pohjaveden laatua uhkaavat etenkin alueella sattuneet pohjavedenpilaantumistapaukset. Merkittävimmät pohjaveden pilaantumistapaukset ovat VAPO Oy:n sahan aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kloorifenoleilla (CP) ja VR:n ratapölkkykyllästämön aiheuttama pohjaveden pilaantuminen kreosoottiöljyllä sekä Rinnekadun Nesteen aiheuttama pohjaveden pilaantuminen MTBE:llä. Alueella on tehty tutkimuksia ja kunnostuksia pilaantumiin liittyen, mutta näiden tuloksia ei ole aikaisemmin koottu yhteen. Tämän työn tavoitteena oli koota tulokset samaan aineistoon. Työssä keskityttiin kloorifenolien leviämisen tarkasteluun sen Pursialan pohjavedenottamolle muodostaman suurimman uhan vuoksi. Kallioperätietojen, maanpintatietojen ja näytetietojen pohjalta laadittiin myös pienoismalli CP-pilaantuman leviämisen kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Työn tavoitteena oli lisäksi tehdä riskitarkastelua CP-pilaantumaan liittyen ja etsiä keinoja hallita havaittuja riskejä. Riskinhallintaan liittyen työssä tutkittiin kloorifenoleilla pilaantuneen alueen maaperä- ja kalliotietoja sekä pohjaveden laatutietoja. Pursialan pohjavedessä on runsaasti rautaa ja mangaania sekä aggressiivista hiilihappoa. Pohjaveden pH on alueella noin 6,5, lämpötila noin 7,5 ºC ja happipitoisuus noin 0,7 mg/l. Pursialan kaupunginalueen kallioperässä on havaittavissa VAPO Oy:n sahalta vedenottamolle etenevä kalliopainanne, jota pitkin CP etenee. Alueen kallioperä on kiillegneissiä, jossa on pohjois–etelä-suuntaista rakoilua. Maaperätuloksien perusteella on havaittavissa vettä hyvin johtavien maakerrosten jatkuminen koko vedenottamon ja sahan välisen matkan, mikä tarkoittaa, että CP-pitoisella pohjavedellä voi olla aiemmin oletettua nopeampikin yhteys sahalta vedenottamolle. Suurin CP-pitoisuus noin 100 000 µg/l on mitattu KY-5-altaan kohdalle asennetun M14-pohjavesiputken pohjasta. Talousvesiasetuksen raja-arvo CP:lle on 10 µg/l. Sahan ja vedenottamon puolivälissä on havaittu yli 10 000 µg/l meneviä CP-pitoisuuksia. Suurin vedenottamon kaivoista (kaivo 10) mitattu pitoisuus on 149 µg/l. Jakotukilta raakavedestä otetuissa näytteissä tai talousvedessä ei ole kuitenkaan havaittu talousvesiasetuksen ylittäviä CP-pitoisuuksia. Pienoismallin perusteella CP sijaitsee sahan alueella lähellä kallionpintaa ja hajaantuu koko pohjavesipatjaan vedenottamolle päin mentäessä. CP-mittaustuloksissa on havaittavissa pulssimaisuutta. Tämä johtuu todennäköisesti Saimaan pinnan vaihtelun seurauksena muuttuvasta rantaimeytyneen pohjaveden määrästä. Saimaan pinnan nousu näyttäisi tuloksien perusteella nostavan CP-pitoisuuksia saha-alueella ja laskevan lähellä vedenottamoa. Pohjaveden pintatietojen perusteella tehdyn tarkastelun mukaan pohjavesi voi kulkeutua sahalta vedenottamolle parhaimmillaan noin vuodessa. Työssä arvioitiin KY-5–liuoksen vuosittaiseksi käyttömääräksi noin 648–970 m3. Allassakkaa arvioitiin syntyneen yhteensä noin 10–31 m3. Pohjaveteen arvioitiin joutuneen toiminnan aikana yhteensä noin 3 000–4 000 kg CP:tä. Kloorifenolit esiintyvät pohjavedessä lähes täysin kloorifenolaatteina. Kloorifenolien hajoaminen ja muuntuminen pohjavedessä on epätodennäköistä. Käsitteellisen mallin mukaan kloorifenolipilaantuman suurimmat riskit aiheutuvat kloorifenolien mahdollisuudesta pilata Pursialan vedenottamon talousvesi. Tällä hetkellä riskejä hallitaan kloorifenolien leviämisen tarkkailulla, sahan ja vedenottamon puolivälissä sijaitsevalla koepumppauksella sekä varautumalla aktiivihiilijauheen syöttöön talousvesiprosessiin. Koepumppauksen avulla on saatu ylös tällä hetkellä noin 69 kg kloorifenoleita. Tutkimuksen perusteella suositeltavimmat riskinhallintatoimet tulevaisuudessa ovat sahalla sijaitseva kunnostuspumppaus, sahan ja vedenottamon väliin sijoittuva suojapumppaus- ja vesiverhoyhdistelmä sekä sahan rannan kautta tapahtuvan rantaimeytymisen estäminen.

Seitsemän veljestä

Armas Launiksen (1884–1959) Seitsemän veljestä (1913) on ensimmäinen suomalainen koominen ooppera. Launis laati libreton teokseen Aleksis Kiven romaanin pohjalta. Ooppera oli hyvin kunnianhimoinen yritys nuorelta säveltäjältä ja Launis ryhtyi melkoisen haasteeseen. Kiven romaani on kirjoitettu osittain vuoropuheluksi ja on muodoltaan hyvin moderni. Uransa alkuvaiheessa ollut säveltäjä teki yli neljätuntisen esikoisoopperansa draamallisesti vaikeasti käsiteltävästä aiheesta. Launis onnistuikin luomaan omaperäisen musiikkidraamallisen sanonnan, jolle ei ollut suoranaista kansainvälistä vastinetta. Launis oli ensimmäinen, joka alisti suomen kielen palvelemaan luonnonmukaista resitatiivia. Vaikka Launiksen oopperalla ei ole sellaista merkitystä suomalaisessa oopperataiteessa kuin Kiven romaanilla kaunokirjallisuudessa, on annettava arvo Launiksen ennakkoluulottomalle uudistuspyrkimykselle, joka oli läpi uran näkyvillä hänen säveltäjäpersoonassaan. Sävelkielen muuntuminen oopperasta toiseen oli poikkeuksellisen huomattavaa. Oopperan kokonaisuutta on sanottu hajanaiseksi ja sen on moitittu kantavan huonosti juonellisesti ja psykologisesti loppuun asti. Aikalaisarvostelijat moittivat Seitsemän veljeksen orkesteriosuutta liian vakavahenkiseksi suhteessa hullunkurisia käänteitä sisältävään tekstiin.

Osingonjakopolitiikan määräytyminen ja sen osakekurssivaikutukset Helsingin pörssissä

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia lineaarisen regressioanalyysin avulla sekä osingonjakopolitiikan määräytymiseen vaikuttavia tekijöitä että osinkojen osakekurssivaikutusta Helsingin pörssissä. Osinkopolitiikan määräytymistä tutkittiin yhtiön koon, kannattavuuden, velkaisuuden, investointi- ja kasvumahdollisuuksien sekä sisäpiirin omistuksen avulla. Käytetty aineisto koostuu Helsingin pörssissä noteerattujen yhtiöiden tilinpäätösluvuista ja osakekurssitiedoista vuosina 2000-2010. Empiiriset tutkimukset osoittivat, että osinkotuottoon vaikuttavia tekijöitä Helsingin pörssissä ovat yhtiön kannattavuus, velkaisuus, investointi- ja kasvumahdollisuudet sekä sisäpiirin omistus. Saadut tulokset ovat samansuuntaisia aikaisempien tutkimusten kanssa. Toinen merkittävä löydös on, että osingoilla todettiin olevan positiivinen yhteys osakekurssimuutoksiin Helsingin pörssissä. Osinkojen ja osakekurssin välinen yhteys tukee signalointiteoriaa.

Painetun aineiston saatavuus Suomessa

Pentti Vattulaisen esitys Painetun aineiston saatavuus -seminaarissa 2.11.2011 Helsingissä

Comparison of some results

Pentti Vattulaisen esitys Kohti aineistojen yhteiskäyttöä -seminaarissa 2.11.2011 Helsingissä