Experimental insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows

This work concerns the experimental study of rapid granular shear flows in annular Couette geometry. The flow is induced by continuous driving of the horizontal plate at the top of the granular bed in an annulus. The compressive pressure, driving torque, instantaneous bed height and rotational speed of the shearing plate are measured. Moreover, local stress fluctuations are measured in a medium made of steel spheres 2 and 3 mm in diameter. Both monodisperse packing and bidisperse packing are investigated to reveal the influence of size diversity in intermittent features of granular materials. Experiments are conducted in an annulus that can contain up to 15 kg of spherical steel balls. The shearing granular medium takes place via the rotation of the upper plate which compresses the material loaded inside the annulus. Fluctuations of compressive force are locally measured at the bottom of the annulus using a piezoelectric sensor. Rapid shear flow experiments are pursued at different compressive forces and shear rates and the sensitivity of fluctuations are then investigated by different means through monodisperse and bidisperse packings. Another important feature of rapid granular shear flows is the formation of ordered structures upon shearing. It requires a certain range for the amount of granular material (uniform size distribution) loaded in the system in order to obtain stable flows. This is studied more deeply in this thesis. The results of the current work bring some new insights into deformation dynamics and intermittency in rapid granular shear flows. The experimental apparatus is modified in comparison to earlier investigations. The measurements produce data for various quantities continuously sampled from the start of shearing to the end. Static failure and dynamic shearing ofa granular medium is investigated. The results of this work revealed some important features of failure dynamics and structure formation in the system. Furthermore, some computer simulations are performed in a 2D annulus to examine the nature of kinetic energy dissipation. It is found that turbulent flow models can statistically represent rapid granular flows with high accuracy. In addition to academic outcomes and scientific publications our results have a number of technological applications associated with grinding, mining and massive grain storages.

Evolución del crecimiento radial en un rodal adulto de Pinus nigra Arn. de la provincia de Lleida

Se ha estudiado un rodal adulto (edad media = 139 años) de Pinus nigra ssp. salzmannii var. pyrenaica en el W de la comarca del Solsonès (Lérida). Se han medido y extraído testigos de madera de 97 árboles adultos, a partir de los cuales se han medido e interdatado 13.340 anillos anuales, construyendo una cronología de crecimientos que abarca desde 1818 a 1996. Se han analizado las relaciones entre diversos parámetros dendrométricos medidos y los crecimientos observados, encontrándose en general muy bajas correlaciones. Se han construido tres series medias de crecimiento (cronología media, estandarizada, y en función de la edad) a partir de las cuales se ha analizado la evolución del rodal. Se ha observado un prolongado período de ralentización y estancamiento del crecimiento que se mantiene cerca de ochenta años, seguido de una fuerte corta a la que la masa reacciona con un notable incremento del crecimiento radial en un momento en que la edad media era ya de 101 años.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.

Oikosulkumoottorin roottorivaurioiden tunnistaminen staattorivirran avulla

Diplomityössä esitellään menetelmiä sauvarikon toteamiseksi. Työn tarkoituksena on tutkia roottorivaurioita staattorivirran avulla. Työ jaetaan karkeasti kolmeen osa-alueeseen: oikosulkumoottorin vikoihin, roottorivaurioiden tunnistamiseen ja signaalinkäsittelymenetelmiin, jonka avulla havaitaan sauvarikko. Oikosulkumoottorin vikoja ovat staattorikäämien vauriot ja roottorivauriot. Roottorikäämien vaurioita ovat roottori sauvojen murtuminen sekä roottorisauvan irtoaminen oikosulkujenkaan päästä. Roottorivaurioiden tunnistamismenetelmiä ovat parametrin arviointi ja virtaspektrianalyysi. Työn alkuosassa esitellään oikosulkumoottorien rakenne ja toiminta. Esitellään moottoriin kohdistuvia vikoja ja etsitään ratkaisumenetelmiä roottorivaurioiden tunnistamisessa. Lopuksi tutkitaan, kuinka staattorimittaustietojen perusteella saadut tulokset voidaan käsitellä FFT -algoritmilla ja kuinka FFT -algoritmi voidaan toteuttaa sulautettuna Sharc -prosessorin avulla. Työssä käytetään ADSP 21062 EZ -LAB kehitysympäristöä, jonka avulla voidaan ajaa ohjelmia RAM-sirusta, joka on vuorovaikutuksessa SHARC -laudassa oleviin laitteisiin.

Spatiotemporal variability in radial growth of trees in the Central Pyrenees: climatic and site influences.

To understand how tree growth has responded to recent climate warming, an understanding of the tree-climate-site complex is necessary. To achieve this, radial growth variability among 204 trees established before 1850 was studied in relation to both climatic and site factors. Seventeen forest stands were sampled in the Spanish Central Pyrenees. Three species were studied: Pinus uncinata, Abies alba, and Pinus sylvestris. For each tree, a ring-width residual chronology was built. All trees cross-dated well, indicating a common influence of the regional climate. For the 1952-1993 period, the radial growth of all species, especially P. uncinata, was positively correlated with warm Novembers during the year before ring formation and warm Mays of the year the annual ring formed. Differences in species-stand elevation modulated the growth-climate associations. Radial growth in P. uncinata at high elevation sites was reduced when May temperatures were colder and May precipitation more abundant. In the 20th century, two contrasting periods in radial growth were observed: one (1900-1949) with low frequency of narrow and wide rings, low mean annual sensitivity, and low common growth variation; and another (1950-1994) with the reverse characteristics. The increased variability in radial growth since the 1950s was observed for all species and sites, which suggests a climatic cause. The low shared variance among tree chronologies during the first half of the 20th century may result from a"relaxation" of the elevation gradient, allowing local site conditions to dominate macroclimatic influence. These temporal trends may be related to the recently reported increase of climatic variability and warmer conditions. This study emphasizes the need to carefully assess the relationships between radial growth and site conditions along ecological gradients to improve dendroclimatic reconstructions.

Morphostructure and paleobiology of Mesogean orthophragminids (Discocyclinidae and Orbitoclypeidae, Foraminifera)

Orthophragminids are Paleocene-Eocene bilamellarperforate larger foraminifers characterized by a lenticular test with an equatorial layer of rectangular chamberlets arranged in concentric rings and lateral chamberlets on either side. Usually called 'discocyclinids', orthophragrninids include genera from two families: Discocyclinidae and Orbitoclypeidae.

Kaasuturbiinin polttoainesuuttimien virtausmittaus

Tässä diplomityössä suunniteltiin ja rakennettiin kaasuturbiinin kaasusuuttimien virtausmittauslaitteisto. Suuttimien epätasainen toiminta kasvattaa kaasuturbiinin poistolämpötilahajontaa. Virtausmittauksien perusteella voidaan määrittää suuttimien efektiivinen virtauspoikkipinta-ala. Suuttimien asennusjärjestys opti-moidaan suuttimien välisten pinta-alaerojen mukaisesti, jolloin polttoainevirtaus polttokammioihin on mahdollisimman tasainen ja poistolämpötilahajonta pienenee. Kaasuturbiinin MS6001 esittelyssä keskityttiin tärkeimpiin komponentteihin sekä polttoainesuuttimien testauksen kannalta oleellisiin osiin ja niiden toimintaan. Teoriaosuudessa tarkasteltiin tilavuusvirran sekä suutinvirtauksen laskennassa käytettäviä yhtälöitä. Mittalaitteiston suunnittelu ja toteutus olivat tämän työn laajin osa-alue. Laitteiston keskeiset osat ovat kuristuselin ja suutintestausosa. Kuristuselintyypiksi valittiin rengaskammiollinen kuristuslaippa, joka suun-niteltiin standardin SFS-EN ISO 5167:2003 mukaisesti. Standardissa annettujen yhtälöiden antamia tuloksia verrattiin numeerisella virtauslaskentamallilla lasket-tuihin tuloksiin. Suutinrunkojen ja -kärkien mittauksien suunnittelussa sovellettiin samaa standardia sekä numeerista virtauslaskentaa optimaalisen sijainnin löytämiseksi paineyhteelle. Mittauksissa syntyvien epävarmuuksien arviointiin kiinnitettiin erityistä huomiota. Kokeellisessa osuudessa mitattiin yhden kunnostetun suuttimen, käytetyn suut-timen ja suutinrungon virtausta. Tuloksien perusteella laskettiin efektiiviset pinta-alat, joita verrattiin turbiinivalmistajan ilmoittamiin pinta-aloihin. Lopuksi arvioitiin mittaustulosten perusteella laitteiston toimivuutta. Virhe-arvioinnin ja mittaustulosten perusteella laadittiin teknisiä parannusehdotuksia suutintestauslaitteiston luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

Characterization of volatile organic gunshot residues in fired handgun cartridges by headspace sorptive extraction

In forensic investigation of firearm-related cases, determination of the residual amount of volatile compounds remaining inside a cartridge could be useful in estimating the time since its discharge. Published approaches are based on following the decrease of selected target compounds as a function of time by using solid phase micro-extraction (SPME). Naphthalene, as well as an unidentified decomposition product of nitrocellulose (referred to as "TEA2"), are usually employed for this purpose. However, reliability can be brought into question given their high volatility and the low reproducibility of their extracted quantities. In order to identify alternatives and therefore develop improved dating methods, an extensive study on the composition and variability of volatile residues in nine different types of cartridges was carried out. Analysis was performed using headspace sorptive extraction (HSSE), which is a more exhaustive technique compared to SPME. 166 compounds were identified (several of which for the first time), and it was observed that the final compositional characteristics of each residue were strongly dependent on its source. Variability of single identified compounds within and between different types of cartridge, as well as their evolution over time, was also studied. Many explosion products containing up to 4 aromatic rings were found to be globally present in high proportions amongst residues. 27 of them (excluding naphthalene) also presented detectable decreases during the first 24 h. Therefore, they could be used as complementary target analytes in future dating methods.

High-Speed Solid-Rotor Induction Machine – Electromagnetic Calculation and Design

Within the latest decade high-speed motor technology has been increasingly commonly applied within the range of medium and large power. More particularly, applications like such involved with gas movement and compression seem to be the most important area in which high-speed machines are used. In manufacturing the induction motor rotor core of one single piece of steel it is possible to achieve an extremely rigid rotor construction for the high-speed motor. In a mechanical sense, the solid rotor may be the best possible rotor construction. Unfortunately, the electromagnetic properties of a solid rotor are poorer than the properties of the traditional laminated rotor of an induction motor. This thesis analyses methods for improving the electromagnetic properties of a solid-rotor induction machine. The slip of the solid rotor is reduced notably if the solid rotor is axially slitted. The slitting patterns of the solid rotor are examined. It is shown how the slitting parameters affect the produced torque. Methods for decreasing the harmonic eddy currents on the surface of the rotor are also examined. The motivation for this is to improve the efficiency of the motor to reach the efficiency standard of a laminated rotor induction motor. To carry out these research tasks the finite element analysis is used. An analytical calculation of solid rotors based on the multi-layer transfer-matrix method is developed especially for the calculation of axially slitted solid rotors equipped with wellconducting end rings. The calculation results are verified by using the finite element analysis and laboratory measurements. The prototype motors of 250 – 300 kW and 140 Hz were tested to verify the results. Utilization factor data are given for several other prototypes the largest of which delivers 1000 kW at 12000 min-1.

Etelä-Karjalan kuntien aineeton pääoma ja sen kehittämisen haasteet

Tämän kvalitatiivisin menetelmin suoritetun tutkimuksen tavoite on selvittää, mikä on aineettoman pääoman tila Etelä-Karjalan kunnissa ja mitkä ovat niiden aineettoman pääoman kehittämisen haasteet. Kunnat valittiin tutkimukseen kunta- ja palvelurakenneuudistuslaissa määrätyn kaupunkiseutusuunnitelman velvoitteen rajaamana. Tutkimuksen aineisto perustuu kuntien aineettoman pääoman raportteihin sekä kuntien johdolle tehtyihin puolistrukturoituihin haastatteluihin. Aineettoman pääoman raporttien analysointi on suoritettu kirjallisuusanalyysina henkilöstötilinpäätösmallia viitekehyksenä käyttäen, teoreettinen viitekehys on muodostettu kirjallisuusanalyysina aineettoman pääoman ja tietojohtamisen tutkimuskirjallisuudesta. Etelä-Karjalan kunnissa aineetonta pääomaa on osaaminen, koulu-tus, kuntien erilaiset prosessit ja järjestelmät sekä yhteistyö erilaisten sidosryhmien kanssa ja kuntien maine. Kehittämishaasteita aineettomalle pääomalle asettaa kuntien henkilöstön eläköityminen, kuntien yhteistyön lisääntyminen ja erilaisten prosessien ja järjestelmien kehittäminen.

Structural and optical properties of InAs/GaAs quantum structures

The goal of the thesis was to study fundamental structural and optical properties of InAs islands and In(Ga)As quantum rings. The research was carried out at the Department of Micro and Nanosciences of Helsinki University of Technology. A good surface quality can be essential for the potential applications in optoelectronic devices. For such device applications it is usually necessary to control size, density and arrangement of the islands. In order to study the dependence of the structural properties of the islands and the quantum rings on growth conditions, atomic force microscope was used. Obtained results reveal that the size and the density of the In(Ga)As quantum rings strongly depend on the growth temperature, the annealing time and the thickness of the partial capping layer. From obtained results it is possible to conclude that to get round shape islands and high density one has to use growth temperature of 500 ̊C. In the case of formation of In(Ga)As quantum rings the effect of mobility anisotropy is observed that so the shape of the rings is not symmetric. To exclude this effect it is preferable to use a higher annealing temperature of 570 ̊C. Optical properties were characterized by PL spectroscopy. PL emission was observed from buried InAs quantum dots and In(Ga)As quantum rings grown with different annealing time and temperature and covered with a various thickness of the partial capping layer.

'Fast-implantable' aortic valve implantation and concomitant mitral procedures.

Concomitant aortic and mitral valve replacement or concomitant aortic valve replacement and mitral repair can be a challenge for the cardiac surgeon: in particular, because of their structure and design, two bioprosthetic heart valves or an aortic valve prosthesis and a rigid mitral ring can interfere at the level of the mitroaortic junction. Therefore, when a mitral bioprosthesis or a rigid mitral ring is already in place and a surgical aortic valve replacement becomes necessary, or when older high-risk patients require concomitant mitral and aortic procedures, the new 'fast-implantable' aortic valve system (Intuity valve, Edwards Lifesciences, Irvine, CA, USA) can represent a smart alternative to standard aortic bioprosthesis. Unfortunately, this is still controversial (risk of interference). However, transcatheter aortic valve replacements have been performed in patients with previously implanted mitral valves or mitral rings. Interestingly, we learned that there is no interference (or not significant interference) among the standard valve and the stent valve. Consequently, we can assume that a fast-implantable valve can also be safely placed next to a biological mitral valve or next to a rigid mitral ring without risks of distortion, malpositioning, high gradient or paravalvular leak. This paper describes two cases: a concomitant Intuity aortic valve and bioprosthetic mitral valve implantation and a concomitant Intuity aortic valve and mitral ring implantation.

Identification of new transformation products during enzymatic treatment of tetracycline and erythromycin antibiotics at laboratory scale by an on-line turbulent flow liquid-chromatography coupled to a high resolution mass spectrometer LTQ-Orbitrap

This work describes the formation of transformation products (TPs) by the enzymatic degradation at laboratory scale of two highly consumed antibiotics: tetracycline (Tc) and erythromycin (ERY). The analysis of the samples was carried out by a fast and simple method based on the novel configuration of the on-line turbulent flow system coupled to a hybrid linear ion trap – high resolution mass spectrometer. The method was optimized and validated for the complete analysis of ERY, Tc and their transformation products within 10 min without any other sample manipulation. Furthermore, the applicability of the on-line procedure was evaluated for 25 additional antibiotics, covering a wide range of chemical classes in different environmental waters with satisfactory quality parameters. Degradation rates obtained for Tc by laccase enzyme and ERY by EreB esterase enzyme without the presence of mediators were ∼78% and ∼50%, respectively. Concerning the identification of TPs, three suspected compounds for Tc and five of ERY have been proposed. In the case of Tc, the tentative molecular formulas with errors mass within 2 ppm have been based on the hypothesis of dehydroxylation, (bi)demethylation and oxidation of the rings A and C as major reactions. In contrast, the major TP detected for ERY has been identified as the “dehydration ERY-A”, with the same molecular formula of its parent compound. In addition, the evaluation of the antibiotic activity of the samples along the enzymatic treatments showed a decrease around 100% in both cases

Hydrological evidence for a North Atlantic oscillation during the Little Ice Age outside its range observed since 1850.

An annual-resolved precipitation reconstruction for the last 800 yr in Southern Spain has been performed using stable carbon isotope (δ13C) of Pinus nigra tree rings. The reconstruction exhibits high- to low-frequency variability and distinguishes a Little Ice Age (LIA, AD 13501850) characterized by lower averaged rainfall than both in the transition from the Medieval Climate Anomaly to the LIA and in the 20th century. The driest conditions are recorded during the Maunder solar Minimum (mid 17thearly 18th centuries), in good agreement with the Spanish documentary archive. Similar linkage between solar activity (maximum/minimum) and precipitation (increase/decrease) is observed throughout the entire LIA. Additionally, the relationship between the hydrological pattern in the Iberian Peninsula and Morocco during the LIA suggests different spatial distribution of precipitation in the south-eastern sector of the North Atlantic region such as it is known currently. Whereas in the instrumental record the precipitation evolves similarly in both regions and opposite to the North Atlantic oscillation (NAO) index, the coldest periods of the LIA shows a contrasting pattern with drier conditions in the South of Spain and wetter in Northern Africa. We suggest an extreme negative NAO conditions, accompanied by a southward excursion of the winter rainfall band beyond that observed in the last century, can explain this contrast. The sustained NAO conditions could have been triggered by solar minima and higher volcanic activity during the LIA.