Impingement jet cooling of end windings in a high-speed electric machine

The rotational speed of high-speed electric machines is over 15 000 rpm. These machines are compact in size when compared to the power rate. As a consequence, the heat fluxes are at a high level and the adequacy of cooling becomes an important design criterion. In the high-speed machines, the air gap between the stator and rotor is a narrow flow channel. The cooling air is produced with a fan and the flow is then directed to the air gap. The flow in the gap does not provide sufficient cooling for the stator end windings, and therefore additional cooling is required. This study investigates the heat transfer and flow fields around the coil end windings when cooling jets are used. As a result, an innovative and new assembly is introduced for the cooling jets, with the benefits of a reduced amount of hot spots, a lower pressure drop, and hence a lower power need for the cooling fan. The gained information can also be applied to improve the cooling of electric machines through geometry modifications. The objective of the research is to determine the locations of the hot spots and to find out induced pressure losses with different jet alternatives. Several possibilities to arrange the extra cooling are considered. In the suggested approach cooling is provided by using a row of air jets. The air jets have three main tasks: to cool the coils effectively by direct impingement jets, to increase and cool down the flow that enters the coil end space through the air gap, and to ensure the correct distribution of the flow by forming an air curtain with additional jets. One important aim of this study is the arrangement of cooling jets in such manner that hot spots can be avoided to wide extent. This enables higher power density in high-speed motors. This cooling system can also be applied to the ordinary electric machines when efficient cooling is needed. The numerical calculations have been performed using a commercial Computational Fluid Dynamics software. Two geometries have been generated: cylindrical for the studied machine and Cartesian for the experimental model. The main parameters include the positions, arrangements and number of jets, the jet diameters, and the jet velocities. The investigated cases have been tested with two widely used turbulence models and using a computational grid of over 500 000 cells. The experimental tests have been made by using a simplified model for the end winding space with cooling jets. In the experiments, an emphasis has been given to flow visualisation. The computational analysis shows good agreement with the experimental results. Modelling of the cooling jet arrangement enables also a better understanding of the complex system of heat transfer at end winding space.

Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

Lämmönlähteiden aiheuttamien konvektiovirtausten vaikutus vastakkaiseen tuloilmasuihkuun

Huoneen sisäisten lämpölähteiden aiheuttamilla konvektiovirtauksilla eli pluumeilla on huomattava vaikutus ilmastointipalkkijärjestelmäntoimintaan. Tätä vaikutusta ei ole tutkittu kovin paljon. Tässä työssä tutkittiin huoneen päätyseinässä olevan sähkölämmityspatterin vaikutusta aktiivisen ilmastointipalkin toimintaan. Tutkimus kohdistui vastakkaisten suihkujen törmäykseen. Suihkuina olivat pluumit ja tuloilmavirtaus. Tutkimukseen kuului sekä teoreettinen että kokeellinen osio. Teoreettisessa tarkastelussa käytiin läpi ilmastointipalkin teoriaa sekä konvektiovirtausten muodostumisen teoriaa. Lisäksi esitettiin, kuinka suihkuista lasketaan liikemäärävirta. Kokeellisessa osiossa mitattiin huoneen sisäisten lämpölähteiden aiheuttamia pluumeja. Lämpölähteet oli sijoitettuina tutkimushuoneen päätyseinän viereen. Mittauksissa keskityttiin tarkemmin sähkölämmityspatteriin ja sitä mallinnettiin eri tehoilla. Lisäksi mitattiin ilmastointipalkin tuloilmavirtausta eri ilmamäärillä. Pluumien ja tuloilmavirtauksen törmäyskäyttäytymistä selvitettiin savukuvauksella. Analyysiosiossa sähkölämmityspatterin aiheuttaman pluumin ja palkin tuloilmavirtauksen törmäyskäyttäytymiselle kehitettiin malli. Mallissa huomioitiin vastaikkaisten törmäävien suihkujen liikemäärät ja esitettiin kohdat tutkimushuoneen pituussuunnassa, jossa tuloilmavirtaus kääntyy oleskeluvyöhykkeelle. Ilmastointipalkkijärjestelmässä tuloilmavirtauksen tulisi kääntyä oleskeluvyöhykkeelle vasta huoneen seinustalla. Tutkimuksen perusteella näin käy, jos pluumin liikemäärä on noin 10% tai vähemmän tuloilman liikemäärästä. Muulloin palkin tuloilmavirtaus kääntyy oleskeluvyöhykkeelle liian aikaisin ja aiheuttaa mahdollisestivedontunnetta.

V0 production in p+A collisions at √s = 41.6 GeV

Inclusive doubly differential cross sections d 2 σ pA /dx F   dp T 2 as a function of Feynman-x (x F ) and transverse momentum (p T ) for the production of K S 0 , Λ and Λ¯ in proton-nucleus interactions at 920 GeV are presented. The measurements were performed by HERA-B in the negative x F range (−0.12

Very-High-Energy gamma rays from a Distant Quasar: How Transparent Is the Universe?

The atmospheric Cherenkov gamma-ray telescope MAGIC, designed for a low-energy threshold, has detected very-high-energy gamma rays from a giant flare of the distant Quasi-Stellar Radio Source (in short: radio quasar) 3C 279, at a distance of more than 5 billion light-years (a redshift of 0.536). No quasar has been observed previously in very-high-energy gamma radiation, and this is also the most distant object detected emitting gamma rays above 50 gigaelectron volts. Because high-energy gamma rays may be stopped by interacting with the diffuse background light in the universe, the observations by MAGIC imply a low amount for such light, consistent with that known from galaxy counts.

The changing milliarcsecond radio morphology of the gamma-ray binary LS 5039

LS 5039 is one of the few TeV emitting X-ray binaries detected so far. The powering source of its multiwavelength emission can be accretion in a microquasar scenario or wind interaction in a young nonaccreting pulsar scenario. Aims.To present new high-resolution radio images and compare them with the expected behavior in the different scenarios. Methods.We analyze Very Long Baseline Array (VLBA) radio observations that provide morphological and astrometric information at milliarcsecond scales. Results.We detect a changing morphology between two images obtained five days apart. In both runs there is a core component with a constant flux density, and an elongated emission with a position angle (PA) that changes by 12 $\pm$ $3\degr$ between both runs. The source is nearly symmetric in the first run and asymmetric in the second one. The astrometric results are not conclusive. Conclusions.A simple and shockless microquasar scenario cannot easily explain the observed changes in morphology. An interpretation within the young nonaccreting pulsar scenario requires the inclination of the binary system to be very close to the upper limit imposed by the absence of X-ray eclipses.

Selluradan leijutus ja hallinta ilmakuivaimessa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia selluradan leijutusta sekä hallintaa kapealla ja täysleveällä selluradalla ilmakuivaimessa. Työn sisältö on jaettu neljään osaan teoriaan, numeeriseen virtauslaskentaan, kokeelliseen osuuteen ja johtopäätöksiin. Työn alussa kiinnitettiin huomiota ilmakuivaimen ja selluradan rakenteeseen, selluradan lujuusominaisuuksiin ja niiden testaamiseen laboratorio-oloissa. Teoria osuudessa tarkasteltiin selluradan leijutusteoriaa ja siihen liittyvää virtaustekniikkaa. Leijutusta kuvattiin mekaniikasta tutun vapaakappalekuvan muodossa. Vapaakappalekuva auttaa ymmärtämään sellurataan vaikuttavia voimia ja niiden aiheuttajia. Numeerisessa virtauslaskennassa rakennettiin Fluent -virtauslaskentamalli. Malli kuvaa leijutussuuttimen alusta 0,2 metrin pituista pätkää. Laskennassa simuloitiin selluradan lei-jutusta 2, 5 ja 7 mm etäisyyksillä. Tuloksia tarkasteltiin paine- ja nopeusjakaumien muodossa. Kokeellisessa osuudessa tehtiin mittauksia yksittäisellä ylä- ja alasuuttimella sekä suutinpaketilla. Yksittäisistä suuttimista mitattiin ilmasuihkujen ulostulokulmaa, suuttimensisäistä painejakaumaa ja selluradan pintaan vaikuttavaa staattista painetta suuttimen pituuden funktiona. Suutinpaketilla tutkittiin ilmasuihkujen ja tasomaisen levyn välistä vuorovaikutusta. Ylä- ja alasuuttimen välissä leijutettiin levyä, josta mitattiin ilmasuihkujen aiheuttama z-suuntainen voima ja leijutuskorkeus. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisen osuuden tuloksia. Näiden pohjalta tehtiin teknisiä parannusehdotuksia ilmakuivaimen toiminnan tehostamiseksi ja selluradan hallinnan parantamiseksi kapealla ja täysleveällä selluradalla.

A Database of >20 keV Electron Green's Functions of Interplanetary Transport at 1 AU

We use interplanetary transport simulations to compute a database of electron Green's functions, i.e., differential intensities resulting at the spacecraft position from an impulsive injection of energetic (>20 keV) electrons close to the Sun, for a large number of values of two standard interplanetary transport parameters: the scattering mean free path and the solar wind speed. The nominal energy channels of the ACE, STEREO, and Wind spacecraft have been used in the interplanetary transport simulations to conceive a unique tool for the study of near-relativistic electron events observed at 1 AU. In this paper, we quantify the characteristic times of the Green's functions (onset and peak time, rise and decay phase duration) as a function of the interplanetary transport conditions. We use the database to calculate the FWHM of the pitch-angle distributions at different times of the event and under different scattering conditions. This allows us to provide a first quantitative result that can be compared with observations, and to assess the validity of the frequently used term beam-like pitch-angle distribution.

Angular distributions of leptons from J/ ψ's produced in 920 GeV fixed-target proton-nucleus collisions

A study of the angular distributions of leptons from decays of J/ψ"s produced in p-C and p-W collisions at s√=41.6~GeV has been performed in the J/ψ Feynman-x region −0.341 GeV/c a significant dependence on the reference frame is found: the polar anisotropy is more pronounced in the Collins-Soper frame and almost vanishes in the helicity frame, where, instead, a significant azimuthal anisotropy arises.

Titanyylisulfaatin elektrolyyttisen pelkistyslaitoksen esisuunnitelma

Työssä esisuunniteltiin Kemira Pigments Oy:lle uusi titanyylisulfaatin elektrolyyttinen pelkistyslaitos. Suurin syy uuden laitoksen suunnitteluun oli nykyisen laitoksen aiheuttamat korkeat H2SO4-pitoisuudet pelkistyslaitoksen läheisyydessä. Työn kirjallisuusosassa käsitellään elektrolyysilaitteiston suunnitteluun liittyviä seikkoja ja esitellään titanyylisulfaatin elektrolyyttiseen pelkistykseen liittyvää tutkimustietoa. Ennen uuden laitoksen suunnittelua suoritettiin nykyisellä pelkistyslaitoksella koeajoja, joiden tarkoituksena oli antaa lähtötiedot uuden laitoksen suunnittelulle. Koeajot osoittivat mm., että pelkistys on edullisinta suorittaa alhaisella virrantiheydellä n. 300…400 A/m2 ja vesilaimennuksen avulla anolyytin H2SO4-pitoisuus saadaan säädettyä tasolle, jossa titaani ei saostu. Kärynpoistoyhteisiin asennettujen pesuvesisuuttimien avulla saatiin titaanin saostuminen kärynpoistokanaviin estettyä. Uudesta titanyylisulfaatin elektrolyyttisestä pelkistyslaitoksesta laadittiin mm. seuraavat dokumentit: prosessin virtauskaavio ja ainevirtakenttä, PI-kaavio, layout-kuvat laitoksesta ja sen sijoituksesta sekä rakennepiirros elektrolyysialtaasta. Hankkeelle tehtiin kustannusarvio tarkkuudella ±20 %, jonka loppusummaksi saatiin 1 489 000 €. Laitoksen vuotuisten käyttökustannuksien arvioitiin olevan n. 105 000 €. Investoinnista aiheutuvien vuotuisten annuiteettikustannusten arvioitiin olevan n. 237 000 € 16,3 % korolla.

Kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöjärjestelmän kehittäminen

Työn tarkoituksena oli kehittää kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöä. Työssä tutkittiin tulipesässä ilmasuihkujen käyttäytymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri ilmansyöttömallien vaikutuksia tulipesäolosuhteisiin. Sekundääri- ja tertiääri-ilmasuihkujen tehtävänä on sekoittaa tulipesän kaasuja sekä tuoda happi leijupetin yläpuolelle haihtuneiden aineiden palamisen loppuun saattamiseksi. Kaasujen sekoittumiseen vaikuttavat ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhde, suutinten koko ja sijoittelu toisiinsa nähden. Ilmasuihku saavuttaa paremman tunkeutuvuuden ja siten tehokkaamman sekoittumisen suuttimen koon kasvaessa. Lisäksi tunkeutuvuus paranee suutinten välisen etäisyyden sekä ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhteen kasvaessa. Optimaalisen suutinten välisen etäisyyden osoitettiin riippuvan suuttimen ja tulipesän koosta sekä ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhteesta. Saatujen tulosten mukaan sekundääri- ja tertiääri-ilmatasoilla tulee suosia suuria harvaan ja lomittain sijoitettuja suuttimia. Ilmansyöttömalleja tutkittiin numeerisesti mallintamalla, ja saatujen tulosten perusteella tehokkain sekoittuminen saavutettiin sijoittamalla sekundääri-ilmasuuttimet tulipesän kahdelle vastakkaiselle seinälle.

Neutron skin thickness in the droplet model with surface width dependence: Indications of softness of the nuclear symmetry energy

We analyze the neutron skin thickness in finite nuclei with the droplet model and effective nuclear interactions. The ratio of the bulk symmetry energy J to the so-called surface stiffness coefficient Q has in the droplet model a prominent role in driving the size of neutron skins. We present a correlation between the density derivative of the nuclear symmetry energy at saturation and the J/Q ratio. We emphasize the role of the surface widths of the neutron and proton density profiles in the calculation of the neutron skin thickness when one uses realistic mean-field effective interactions. Next, taking as experimental baseline the neutron skin sizes measured in 26 antiprotonic atoms along the mass table, we explore constraints arising from neutron skins on the value of the J/Q ratio. The results favor a relatively soft symmetry energy at subsaturation densities. Our predictions are compared with the recent constraints derived from other experimental observables. Though the various extractions predict different ranges of values, one finds a narrow window L∼45-75 MeV for the coefficient L that characterizes the density derivative of the symmetry energy that is compatible with all the different empirical indications.

All-sky search algorithms for monochromatic signals in bar gravitational wave detector data

In this paper we design and develop several filtering strategies for the analysis of data generated by a resonant bar gravitational wave (GW) antenna, with the goal of assessing the presence (or absence) therein of long-duration monochromatic GW signals, as well as the eventual amplitude and frequency of the signals, within the sensitivity band of the detector. Such signals are most likely generated in the fast rotation of slightly asymmetric spinning stars. We develop practical procedures, together with a study of their statistical properties, which will provide us with useful information on the performance of each technique. The selection of candidate events will then be established according to threshold-crossing probabilities, based on the Neyman-Pearson criterion. In particular, it will be shown that our approach, based on phase estimation, presents a better signal-to-noise ratio than does pure spectral analysis, the most common approach.

Observation of VHE γ-rays from Cassiopeia A with the MAGIC telescope

Aims:We searched for very high energy (VHE) γ-ray emission from the supernova remnant Cassiopeia A Methods: The shell-type supernova remnant Cassiopeia A was observed with the 17 m MAGIC telescope between July 2006 and January 2007 for a total time of 47 h. Results: The source was detected above an energy of 250 GeV with a significance of 5.2σ and a photon flux above 1 TeV of (7.3 ± 0.7_stat ± 2.2_sys) × 10-13 cm-2s-1. The photon spectrum is compatible with a power law dN/dE ∝ E-Γ with a photon index Γ = 2.3 ± 0.2_stat ± 0.2_sys. The source is point-like within the angular resolution of the telescope.

Thomas-Fermi theory for atomic nuclei revisited

The recently developed semiclassical variational Wigner-Kirkwood (VWK) approach is applied to finite nuclei using external potentials and self-consistent mean fields derived from Skyrme inter-actions and from relativistic mean field theory. VWK consist s of the Thomas-Fermi part plus a pure, perturbative h 2 correction. In external potentials, VWK passes through the average of the quantal values of the accumulated level density and total en energy as a function of the Fermi energy. However, there is a problem of overbinding when the energy per particle is displayed as a function of the particle number. The situation is analyzed comparing spherical and deformed harmonic oscillator potentials. In the self-consistent case, we show for Skyrme forces that VWK binding energies are very close to those obtained from extended Thomas-Fermi functionals of h 4 order, pointing to the rapid convergence of the VWK theory. This satisfying result, however, does not cure the overbinding problem, i.e., the semiclassical energies show more binding than they should. This feature is more pronounced in the case of Skyrme forces than with the relativistic mean field approach. However, even in the latter case the shell correction energy for e.g.208 Pb turns out to be only ∼ −6 MeV what is about a factor two or three off the generally accepted value. As an adhoc remedy, increasing the kinetic energy by 2.5%, leads to shell correction energies well acceptable throughout the periodic table. The general importance of the present studies for other finite Fermi systems, self-bound or in external potentials, is pointed out.