Kuumailmapolttolaitteiston numeerinen virtausmallinnus

Tämä diplomityö perustuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston Uusiutuvien energiajärjestelmien laboratorion koelaitteistoon, jolla tutkitaan voimakkaan savukaasunkierrätyksen ja kuumailmapolton soveltuvuutta pienen kokoluokan energiantuotantoprosesseihin. Työn teoriaosassa esitellään tavanomaisesta palamisesta eroavaa kuumailmapolttoa ja tarkastellaan sen ominaisuuksia. Myös työssä käytetyn tutkimusmenetelmän, numeerisen virtauslaskennan, periaatteita ja ominaisuuksia tarkastellaan. Työssä tutkitaan numeerisella virtausmallinnuksella kuumailmapolttolaitteiston virtauskentän käyttäytymistä, kun takaisin tulipesään kierrätettävän savukaasun määrä sekä tulipesän lämpöhäviöiden suuruus vaihtelevat. Virtauskentän tarkastelu on tärkeää, sillä palamisilman ja kierrätetyn savukaasun täytyy sekoittua kuumailmapolton aikaansaamiseksi. Työn virtausmallinnus suoritettiin Finflo-virtausratkaisijalla kaksiulotteisena palamisreaktioita mallintamatta. Vaikka työssä käytetyt mallit olivat kaksiulotteisia ja niissä käytettiin yksinkertaistuksia, virtausten käyttäytymisestä tulipesässä saatiin olennaista tietoa, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää jatkotutkimuksissa.

Lämmönsiirron numeerinen laskenta profiloidulle kanavalle.

Työn tavoitteena oli tutkia aaltomaisen profiloinnin vaikutusta suorien jäähdytyskanavien lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Erilaisia profiileja oli kymmenen kappaletta ja ne olivat 5mm leveitä ja 30cm pitkiä kukin. Ne laskettiin kolmeulotteisina tapauksina FINFLO-virtausratkaisijalla kolmella eri Reynoldsin luvulla, jotka vastasivat laminaarista, osittain turbulenttista ja lähes kokonaan turbulenttista virtausta. Lämmönsiirtoaine oli kuiva +30°C ilma ja profiloinnin toteutustapa oli toisiaan sivuavat ympyräkaaret kolmella erilaisella säteen arvolla ja kolmella erilaisella aallonpituuden arvolla. Lisäksi laskettiin saman levyisen tasokanavan arvot jokaisella Reynoldsin luvulla kaksiulotteisina tapauksina. Näitä profiloimattomia kanavia pidettiin referenssitapauksina. Tuloksena havaittiin että profiloimalla saadaan yksiselitteisesti suurempi lämpöteho ulos samasta tilavuudesta. Lämmönsiirtokerroin kasvaa profiloinnin avulla parhaimmillaan n. 20% käytetystä turbulenssimallista tai lämmönsiirtokertoimen määritelmästä riippumatta. Painehäviö kasvaa myös aina, mutta kitkakerroin voi hieman pienentyä. Profiilin varsinaisena hyvyyskriteerinä pidettiin lämmönsiirtokertoimen ja kitkakertoimen suhdetta h/f. Se osoittautui riippuvaksi Reynoldsin luvusta ja turbulenssimallista; ASM ja Chien k-έ -mallit ennustavat transitioetäisyyden eri tavalla. Laminaarisilla virtauksilla h/f :n vaihtelu oli vähäistä; suhde vaihteli vain ±5% eri profiilien kesken. ASM-mallilla havaittiin sekundääripyörteilyä, ehkä siksi että se mallintaa anisotrooppisen turbulenssin. Chien k-έ malli ennusti suuremman ja aikaisemmin alkavan turbulenttisuuden kuin ASM. Lisäksi havaittiin mm. että tietyillä profiileilla muodostuu kanavan kapeimpaan kohtaan selvä virtausnopeuden paikallinen minimi seinämän läheisyyden takia.

Radiaalikompressorin spiraalivirtauksen numeerinen mallinnus

Diplomityössä mallinnetaan numeerisesti radiaalikompressorin spiraalin virtaus. Spiraalin tarkoituksena radiaalikompressorissa on kerätä tasaisesti virtaus diffuusorin kehältä. Spiraaliin on viime aikoina kiinnitetty enemmän huomiota, koska on havaittu, että kompressorin hyötysuhdetta voidaan parantaa spiraalia optimoimalla. Spiraalin toimintaa tarkastellaan kolmella eri massavirralla. Työn alussa käsitellään spiraalin toimintaperiaatteita. Numeerisena ratkaisijana käytetään Teknillisessä korkeakoulussa kehitettyä FIN-FLO -koodia. FINFLO -laskentaohjelmassa ratkaistaan Navier-Stokes yhtälöt kolmeulotteiselle laskenta-alueelle. Diskretointi perustuu kontrollitilavuus menetelmään. Työssä käsitellään laskentakoodin toimintaperiaatteitta. Turbulenssia mallinnetaan algebrallisella Baldwin-Lomaxin ja kahden yhtälön Chienin k-e turbulenssimalleilla. Laskentatuloksia verrataan Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa tehtyihin mittauksiin kyseessä olevasta kompressorin spiraalista. Myös eri turbulenssimalleilla ja hilatasoilla saatuja tuloksia verrataan keskenään. Laskentatuloksien jälkikäsittelyä varten ohjelmoitiin neljä eri tietokoneohjelmaa. Laskennalla pyritään saamaan lisäselvyyttä virtauksen käyttäytymiseen spiraalissa ja erityisesti ns. kielen alueella. Myös kahden eri turbulenssimallin toimivuutta kompressorin numeerisessa mallinnuksessa tutkitaan.

Turbulenttisen putkivirtauksen numeerinen mallinnus.

Numeerisella mallinnuksella on tavoitteena täydentää ja korvata kokeellista tutkimusta. Tässä tutkimuksessa on mallinnettu CFX 4.1- ja CFX 4.2-ohjelmien avulla lämmönsiirtoa putken sisäpinnalla. Virtausaineena putkessa on käytetty vettä ja vesi-monopropyleeniglykoliliuosta. Tarkasteltujen virtaustapausten Reynoldsin luku vaihtelee 200 - 30000. Kun glykolipitoisuus on suuri ja liuoksen lämpötila on pieni virtaus on laminaarista ja tällöin lämmönsiirtymiskerroin on pieni. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Työssä on selvitetty edellytyksiä mallintaa hydraulisesti sileässä putkessa tapahtuvaa virtausta. Reynoldsin luvun ollessa alle 2300 mallinnuksessa on käytetty laminaarimallia. Reynoldsin luvuilla 2300-30000, turbulenttisella alueella, on käytetty pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-mallia. Malli vaatii toimiakseen tiheän laskentaverkon putken seinämän läheisyydessä. Tarkastellulla alueella virtauksen ja lämmönsiirron mallinnuksen tulokset ovat vastaavat kuin teorian perusteella lasketut ja kokeellisista mittauksista saatavat tulokset. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Tässä työssä on numeerisin menetelmin (pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-malli ja k-ɛ-malli) suoritettu laskentaa yhdellä turbulaattorilankarakenteella. Laskennan vertailuaineistona on käytetty aikaisemmasta kokeellisesta tutkimuksesta saatua mittausdataa. Kokeellisessa tutkimuksessa turbulaattorirakenteena on käytetty putken seinämällä kiertyvää turbulaattorilankaa. Todellinen kolmiulotteinen geometria osoittautui vaikeaksi mallintaa. Toimivaa mallia ei ollut mahdollista toteuttaa aikataulun puitteissa ja mallin laskentakapasiteetin tarve kasvoi liian suureksi. Lankarakenne yksinkertaistettiin tasavälein toistuvaksi riparakenteeksi, joka on helpompi mallintaa aksisymmetriaa käyttäen kaksiulotteisena. Mallin tuloksista painehäviö asettuu kirjallisuudesta saatavan vertailuaineiston kanssa samalle tasolle, mutta lämmönsiirtymiskerroin on vertailuaineistoa huomattavasti suurempi.

Höyryturbiinin kanavistojen numeerinen virtauslaskenta

Diplomityössä tutkittiin Fortumin Loviisan ydinvoimalaitoksen ulosvirtauskanaviston ja suurnopeuskosteudenerottimen toimintaa, sekä selvitettiin taustalla olevaa teoriaa ja aiemmin tehtyjä tutkimuksia. Tavoitteena oli ymmärtää ja esittää laitteiden toimintaa, sekä tutkia voiko ulosvirtauskanaviston suorituskykyä parantaa geometrian muutoksilla. Työssä luotiin tutkittaville kohteille geometriat ja laskentahilat, joiden avulla simuloitiin niiden toimintaa eri käyttötilanteissa numeerisen virtauslaskennan avulla. Laskennan reunaehdot saatiin olemassa olevasta prosessimallista ja aiemmista turbiiniselvityksistä. Ulosvirtauskanaviston suorituskyky laskettiin kolmella eri lauhdutinpaineella neljällä eri geometrialla. Geometrian muutokset vaikuttivat selkeästi ulosvirtauskanaviston suorituskykyyn ja sitä saatiin parannettua. Kaksi kolmesta muutoksesta, lisäkanavat ja oikaistu vesilippa, pa-ransivat suorituskykyä. Lokinsiipien poistaminen heikensi ulosvirtauskanaviston toi-mintaa. Suurnopeuskosteudenerottimen mallintaminen jäi lähtötietojen ja ajan puutteen takia hieman tavoitteesta. Sekä ulosvirtauskanaviston että suurnopeuskosteudenerotti-men jatkotutkimusta ja mahdollisia toimenpiteitä varten saatiin arvokasta uutta tietoa.

Suunnittelun tunnusluvut

Diplomityön tavoitteena oli kehittää Andritzin Kuitulinja-divisioonalle tunnuslukuja, työkaluja sekä menetelmiä projektin johdon jasuunnittelun eri osa-alueiden arviointiin, hinnoitteluun ja seurantaan Työn teoriaosuudessa käsiteltiin projektiliiketoimintaa, suunnitteluaja sen hankintaa, tunnuslukuja sekä mittaamista projektiympäristössä. Työn pääpaino oli kuitenkin empiriaosuudella, jossa aluksi tutustuttiin yksityiskohtaisesti työssä tutkittaviin osa-alueisiin. Tiedonkeruuvaiheessa kerättiin suuri määrätunnuslukujen laskemiseksi tarvittavaa tietoa toteutetuista tai vielä hieman keskeneräisistä projekteista. Työn kirjallinen osuus ja kerätty numeerinen tieto yhdistettiin tunnuslukujen analysointivaiheessa, jossa tutkittiin eri tunnuslukujen soveltuvuutta mittaamiseen. Tunnusluvut soveltuivat hyvin joidenkin osa-alueiden kuten prosessi- ja putkistosuunnittelun mittaamiseen. Joidenkin osa-alueiden, kuten rakennussuunnittelun mittaaminen tunnuslukujen avulla oli vaikeampaa tunnuslukujen suuresta hajonnasta johtuen. Eri osa-alueille saatiin kuitenkin määritettyä parhaat tunnusluvut, projektien luokitteluperusteet ja standardiarvot. Työn lopputuloksina saatiin päätavoitteena ollut tunnuslukumittaristo sekä mittaamisen yhtenäistämiseksi luotu tiedonkeruulomake. Mittaamisen tehostamiseksi ja kehittämiseksi tehtiin useita jatkotutkimus- ja kehitysehdotuksia. Lisäksi työssä esitettiin uusi menetelmä projektinohjauksen ja resurssisuunnittelun tueksi.

Sähkökäyttösimulaattori jasen suorituskyky

Erilaisten simulaatioiden tekeminen tutkimustyössä on tärkeää. Simulaatioiden avulla voidaan vähentää prototyyppitestauksen tarvetta. Diplomityössä on esitelty kehitettävää sähkökäyttösimulaattoria, jolla voidaan tarkastella erilaisten sähkökäyttöjen häviöiden muodostumista. Diplomityössä on keskitytty vertailemaan kehitettävän simulaattorin simulointituloksia todelliselta sähkökäytöltä mitattuihin suureisiin. Vertailun kohteena on taajuusmuuttajalla syötetty oikosulkumoottori, minkä virtojen ja jännitteiden vertailu on tehty aika- ja taajuustasossa.

Virtauslaskennankäyttö keskipakopumpun eroosiokulumisen mallintamisessa

Diplomityössä kehitetään malli tiheän kaksifaasivirtauksen aiheuttaman eroosiokulumi-sen mallintamiseksi, ratkaistaan virtauskenttä kahdessa erilaisessa keskipakopumpussa, sovelletaan kehitettyä mallia, sekävertaillaan mallin antamia tuloksia käytännön kokeissa saavutettuihin tuloksiin. Työssä on erityisenä mielenkiinnon kohteena savukaasupesurin pumppu. Työn alkuosa sisältää tarkemman kuvauksen savukaasupesurin toi-minnasta. Numeerinen ratkaisu ja laskentahilan generointi suoritetaan ANSYS CFX- ja Turbo-Grid-ohjelmistoilla. Laskennassa virtauksen Navier-Stokesin yhtälöt on aikakeskiarvo-tettu ja ratkaistu käyttäen kontrollitilavuusmenetelmää. Tiheiden kaksifaasivirtausten eroosiokulumista on mallinnettu tekijän kehittämällä mallilla, jonka käytännön toteutus-ta ei kuitenkaan saateta julkiseksi, koodin kehittämisessä käytetty teoria on kuitenkin esitetty työssä. Työn piirissä tehtiin myös kulumiskokeita Sulzer Pumps Finlandin Karhulan tehtailla, sekä vertailtiin simuloinnin tuloksia aikaisemmissa kokeissa saavutettuihin. Koejärjestelyt kuvataan työssä.

Aerodynamical instability of web

Diplomityön tavoitteena oli tutkia miten ilman turbulenttisuus vaikuttaa tasaisesti liikkuvan rainan tilaan. Yhtenä sovelluskohteena teollisuudessa voidaan mainita esimerkiksi leiju-kuivain. Tiedetään, että konenopeuksien kasvu ja siitä johtuva ilmavirran nopeuden kasvu aiheuttaa voimavaikutuksia rainaan ja voi aiheuttaa lepatusta. Lepatus johtaa dynaamiseen epästabiilisuuteen, joka voidaan havaita, kun lineaarinen systeemi tulee epävakaaksi ja joh-taa epälineaariseen, rajoitettuun värähtelyyn. Lepatus huonontaa tuotteiden laatua ja voi johtaa ratakatkoihin. Työssä on esitetty tietoa ilman ja rainan vuorovaikutuksesta, jota hyödyntämällä voidaan kehittää yksinkertaistettu malli, jonka avulla liikkuvaa rainaa voidaan simuloida kuivaimes-sa. Kaasufaasin virtausyhtälöt on ratkaistu eri turbulenttimalleja käyttäen. Myös viskoelas-tisen rainan muodonmuutosta on tarkasteltu. Koska rainalle ei ole kirjallisuudesta saatavilla tarkkoja fysikaalisia ja mekaanisia arvoja, näitä ominaisuuksia testattiin eri arvoilla, jotta rainan käyttäytymistä jännityksen alaisena voidaan tarkastella. Näiden ominaisuuksien tun-teminen on ensiarvoisen tärkeää määritettäessä rainan aeroviskoelastista käyttäytymistä. Virtaussimulointi on kallista ja aikaa vievää. Tämä tarkoittaa uusien tutkimusmenetelmien omaksumista. Tässä työssä vaihtoehtoisena lähestymistapana on esitetty yksinkertaistettu malli, joka sisältää ilman ja rainan vuorovaikutusta kuvaavat ominaisuudet. Mallin avulla saadaan tietoa epälineaarisuuden ja turbulenssin vaikutuksesta sekä monimutkaisesta yh-teydestä stabiilisuuden ja ulkoisesti aikaansaadun värähtelyn sekä itse aiheutetun värähtelyn välillä. Työn lopussa on esitetty havainnollinen esimerkki, jolla voidaan kuvata olosuhteita, jossa rainan tasainen liike muuttuu epävakaaksi. Kun turbulenttisuudesta johtuva painevaih-telu ylittää tietyn rajan, rainan värähtely kasvaa muuttuen satunnaisesta järjestäytyneeksi. Saaduttulokset osoittavat, että turbulenttisuudella on suuri vaikutus eikä sitä voi jättää huomioimatta. Myös rainan viskoelastiset ominaisuudet tulee huomioida, jotta rainan käyt-täytymistä voidaan kuvata tarkasti.

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.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.

Sinkkirikasteen liukenemisnopeuteen vaikuttavat tekijät ja sinkkirikasteen suoraliuotuksen mallintaminen

Työn kirjallisuusosassa selvitettiin eri tekijöiden (lämpötila, paine, mineralogia, partikkelikoko, sekoitus, kiintoainepitoisuus, liuoksen happo-, rauta- ja happipitoisuus) vaikutusta sinkkirikasteen suoraliuotusprosessin tärkeimpiin ilmiöihin (diffuusio, aineensiirto, reaktiokinetiikka). Kirjallisuusosassa kartoitettiin myös tämän hetkistä tietämystä niistä tekijöistä, jotka ovat oleellisia, kun sinkkirikasteen suoraliuotusprosessia mallinnetaan. Näitä tekijöitä ovat: sinkkirikasteiden liuotuksen kemia, sinkkirikasteiden liuotuksen kinetiikka ja mekanismit, kaasuneste aineensiirto ja kiinteäneste aineensiirto. Lisäksi selvitettiin millä tavoin aikaisemmissa tutkimuksissa sinkkirikasteiden suoraliuotusta on mallinnettu. Mallinnusosassa käsiteltiin atmosfääristä sinkkirikasteen suoraliuotusta, jossa hapettimena toimi ferri(III)rauta. Mallintamisessa käytettiin kirjallisuudessa esitettyjä mittaustuloksia ja mallintaminen tehtiin Modest tietokoneohjelmistolla. Työssä tehty atmosfäärisen suoraliuotuksen mallintaminen labo-ratoriomittakaavassa (laimeat liuokset ja pienet kiintoainepitoisuudet) antoi lupaavia tuloksia. Ongelmia mallin ennustuksen kanssa esiintyi pienissä happopitoisuuksissa, alhaisissa lämpötiloissa sekä pienillä ja suurilla partikkeleilla. Työn kirjallisuusosassa tunnistettiin ne ongelmakohdat, jotka vaativat lisätutkimuksia, jotta sinkkirikasteen atmosfääriselle suoraliuotukselle pystytään kehittämään simulointimalli. Näitä ovat: 1. Hapen liukoisuus ja aineensiirto teollisuuden käyttämissä sinkkirikastelietteissä, 2. Sopivien mittaustulosten puuttuminen, jotta atmosfääristä suoraliuotusta, jossa O2 ja Fe3+ toimivat hapettimena voitaisiin mallintaa, 3. Kiinteäneste aineensiirron merkitys sinkkirikasteen suoraliuotuksessa. Mallinnusosassa osoitettiin, että mekanistisella mallintamisella voidaan simuloida sinkkirikasteen atmosfääristä suoraliuotusta ainakin laboratoriomittakaavassa. Työn perusteella voidaan todeta, että sinkkirikasteen atmosfääriselle suoraliuotukselle voidaan työssä ehdotettujen jatkotutkimusten avulla kehittää numeerinen mekanistinen malli, jolla atmosfääristä sinkkirikasteiden suoraliuotusprosessia voidaan simuloida eri olosuhteissa.

Symplektisen integroinnin soveltaminen satelliittien suhteellisten ratojen laskemiseen

Maapalloa kiertävien satelliittien liikkeet toistensa suhteen eli satelliittien suhteelliset radat ovat keskeisessä asemassa satelliittimuodostelmien kannalta. Suhteellisten ratojen ratkaiseminen maapallon potentiaalikentässä on haastava ongelma, johon on kehitetty useita eri lähestymistapoja alkaen Hillin tekemästä matemaattisesta pohjatyöstä vuonna 1878. Eri lähestymistavat voidaan jakaa analyyttisiin ja numeerisiin menetelmiin. Analyyttisissa menetelmissä suhteellisen liikkeen liikeyhtälöt ratkaistaan approksimaatioiden avulla ja saadusta ratkaisuista voidaan suoraan lukea suhteellisen radan kehitys jonkin sopivan ajanluonteisen parametrin funktiona. Numeerisissa menetelmissä ratkaistaan liikeyhtälöt numeerisesti eli sovelletaan ratojen numeerista integrointia. Eräs moderni numeerinen menetelmä on soveltaa symplektisiä integrointimenetelmiä suhteellisen radan ratkaisemiseen. Tämän työn ensimmäisessä osassa kehitetään symplektisten integrointimenetelmien tarvitsema matemaattinen teoria lähtien differentiaaligeometrian alkeista. Teorian sovelluksena saadaan Zassenhausin kaavan avulla johdettua symplektisten leapfrog"-menetelmien lähtökohta. Työn toisessa osassa keskitytään suhteellisten satelliittiratojen ongelmaan. Ensin käsitellään yksittäisen satelliitin liikettä ja suhteellisten ratojen esittämisessä käytetyt koordinaatistot. Sen jälkeen esitellään analyyttiset Hillin--Clohessyn--Wiltshiren, Tschaunerin--Hempelin ja Halsallin--Palmerin suhteelliset ratalaskumenetelmät. Numeerisista menetelmistä tutkitaan S.~Mikkolan kehittämää logaritmisen Hamiltonin funktion menetelmää. Työssä kehitetään algoritmi menetelmän soveltamiseen suhteellisiin ratalaskuihin. Kehitettyä menetelmää verrataan analyyttisiin menetelmiin ja tarkkaan ellipsiratojen erotuksena saatuun suhteelliseen rataan. Vertailun tuloksena havaitaan logaritmisen Hamiltonin funktion menetelmä kehityskelpoiseksi ja huomattavasti analyyttisiä menetelmiä tarkemmaksi.

Kuulakekoreaktorin sydämen jäähdytevirtauksen CFD-mallinnus

Kandidaatintyössä luotiin CFD-malli mallintamaan jäähdytevirtausta kuulakekoreaktorin sydämessä käyttämällä Ansys Fluent -ohjelmaa. Mallin avulla tarkasteltiin virtauksen käyttäymistä ja painehäviötä ja saatuja tuloksia verrattiin aiempiin tutkimuksiin. Kandidaatin työssä on myös kerrottu mallintamisen etenemisestä ja laskentateoriaa.

Muuttuvaan kysyntään sopeutuva varastonohjausmalli

Tutkimuksen päätavoitteena oli muodostaa varastonhallinnantueksi, muuttuvaan kysyntään sopeutettavien varastonhallintaparametrien ohjaamisen viitekehys, joka olisi helposti toteutettavista tyypillisillä ja vapaasti saatavissa olevilla nykypäivän ICTtyökaluilla (Information and communication technologies). Viitekehyksellä tavoiteltiin mallia, jolla puskurivarastot voidaan sopeuttaa muuttuvaan kysyntään välttäen kuitenkin samalla tuotantoprosessien katkoja, varastojen riitosta johtuvista syistä. Mallilla pyritään takaamaan tuotantoprosessin katkeamattomuuden, eikä mallissa näin ollen ensisijaisesti tavoitella puskurivarastojen ja varastoon sitoutuvan pääoman minimointia, vaan tarkoituksena on pyrkiä takaamaan tuotantoprosessin jatkuvuus, ennakoimalla kysyntämuutoksien vaikutuksia nimikekohtaiseen tarpeeseen nähden. Ideologisesti sopeutuva varastonohjausmalli perustuu tuotekohtaiseen kysyntäprofiilin malliin ja tämän mallin sovittamiseen vallitsevaan ja ennakoituun näkymään markkinatilanteesta. Näin pyritään muodostamaan kysynnän ennakkotietoa lähitulevaisuuden tarvetiedon malliksi ja sopeuttaa varastotasot vastaamaan ennakoitua tarvetta. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti sellaisiin nimikkeisiin, joiden kysyntä on vaihtelevaa ja joissa tämä vaihtelu on tunnistettavissa olevaa (esimerkiksi kysyntä on kausittaista, mutta kysynnän määrissä esiintyy kuitenkin epävarmuutta). Tutkimuksen ulkopuolelle on rajattu MRO-nimikkeiksi (Maintenance, repair and operations) luokiteltavat tuotteet, kyseisten tuotteiden erityisluonteen takia, sekä siksi että tutkimushankkeissa eri tapaustutkimuskohteilla oli vaihtelevasti tai ei ollenkaan MRO-tuotteita varastotuotteina. Lisäksi läheskään kaikissa tutkimustapauksissa ei olisi ollut saatavilla yhdenmukaista tietoa siitä, kuinka MRO-tuotteiden osalta varastoja käytännössä hallitaan tutkituissa yritystapauksissa. Viitekehyksessä yhdistyy sekä lyhyen, että pitkän aikajänteen historiatiedon hyödyntäminen, osana kysynnän ennakkotiedon muodostusprosessia. Kokonaisuutena kehitetyllä viitekehyksellä on pyritty luomaan sellainen varastonohjaamisen tukityökalu, jolla tilausprosessiin sitoutuisi pitkällä aikajänteellä vähemmän ihmisen suorittamaa työtä, ohjausprosessia yksinkertaistamalla. Ohjausmallissa pyritään vapauttamaan käytettävässä oleva työaika yksinkertaisten päätösten tekemisestä koskemaan sellaisia tuotteita, joissa tarvitaan vankkaa alaosaamista ja kokonaiskuvan hahmottamista. Tähän tavoitteeseen pääsemiseksi, viitekehys on rakennettu siten, että sen toteuttaminen käytännön työkaluksi on mahdollista vapaasti saatavilla olevilla ohjelmistoilla. Samalla pyrittiin siihen, että sopeuttamiseen tarvittavien parametrin määrä pysyy vähäisenä (esimerkiksi tilauspisteen ja määrän määrittäminen), jolloin myös ideologian integrointi olemassa oleviin järjestelmiin säilyy yksinkertaisena. Lisäksi ideologian perusajatuksena on olla sellainen, että se on helposti varastonohjauksesta vastaavien henkilöiden ymmärrettävissä ja tarvittaessa myös monipuolisesti mukautettavissa. Tämän kokonaisuuden saavuttamiseksi, menetelmässä pyrittiin alun alkaen mahdollisimman vähäiseen syöteparametrien määrään. Tutkimusprosessissa ja käytännön tutkimustyössä on yhdistetty kvalitatiivista ja kvantitatiivista tutkimusta. Metodologisesti työ on tapaustutkimuspohjainen ja tutkimustyypiltään tämä tutkimus luokitellaan kvantitatiiviseksi tutkimukseksi. Tutkimusmetodeihin kuuluu mm. nykytila-analyysi (kenttätutkimus ja yrityshaastattelut), numeerinen data (data annettiin tutkimuskäyttöön tutkimustapauksina toimineiden yritysten puolesta), kysynnän profiloiminen, sekä ideologian kenttätestaaminen käytännön yritysympäristössä. Tutkimuksen empiiriset tulokset osoittavat kuinka kysyntään sopeuttamisella voidaan saavuttaa selkeitä etuja toimitusketjulle sekä taloudellisessa mielessä että toiminnan varmuuden näkökannalta asiaa tarkastellen. Tieteellisesti työ kontribuoi erityisesti tieteelliseen keskusteluun, jossa tarkastellaan tilaus-toimitusketjuja ja varastonohjaus politiikkoja ja toimintamalleja. Tutkimus nostaa esille niitä piirteitä joihin kysyntään sopeutuvalla ohjauksella voidaan vastata, että niitä osa-alueita, joilla perinteiset mallit ovat paremmin käytäntöön sopivia ja helpommin toteutettavia. Väitöskirjan tulokset ovat käytäntöön sovellettavissa, niin operatiivisella tasolla (mm. parametristonohjauksessa), kuin myös taktisen tason päätöksissäkin (esim. tuoteryhmätason ohjaus- ja varastointipäätöksissä). Kysyntään sopeutuvaa ohjausmallia voidaan toteuttaa yhtä hyvin yrityksen sisällä omana prosessinaan, kuin verkostotasolla verkoston tilaus-toimitusprosessien sopeuttamisessa (esim. välittämällä kysynnän ennakkotietoa läpinäkyvästi koko verkoston tasolla). Erityisesti sellaisissa käytännön tapauksissa, joissa logistiikka ja varastojen sovittaminen kysyntään mielletään tärkeäksi kilpailutekijäksi, väitöskirjatyön tuloksia voidaan hyödyntää viitekehyksenä rakennettaessa rutiininomaisen varastonohjauksen kokonaisuutta. Väitöskirjan teoreettinen uutuusarvo rakentuu aiemmin tutkittujen, rajattujen tutkimustulosten, yhdistämisestä käytännön haasteisiin ja rajoitteisiin kysyntää ennakoivan mallin muodostamiseksi yhden viitekehyksen alla, poissulkien MRO-nimikkeiden ohjaamisen.