Liikkuva mittauslaboratorio Nuuskijan katupölyjärjestelmän jatkokehitys

Työn tarkoituksena oli kehittää liikkuvan mittausjärjestelmän Nuuskijan katupölyjärjestelmää. Katupöly on yksi suurimpia ilmalaatuongelmia pohjoismaissa keväisin. Alkuperäinen järjestelmä oli rakennettu vuoden 2004 lopulla ja 2005 alussa TEKESin rahoittamassa VIPEN -projektissa. Nyt esitetty kehitystyö liittyy ympäristöministeriön rahoittaman KAPU -projektiin, ja liikenne- ja viestintäministeriön rahoittaman VIEME -projektiin. Hankittiin, asennettiin, ja testattiin virtausanturi Nuuskijan katupölyn keruuputkistoa varten. Hankitulla kuumalankaperiaatteella toimivan anturin toimintaa verrattiin massavirtausputken tuloksiin, ja ne todettiin yhtäpitäviksi. Pääkeruuputkiston virtausta säätelevän pumpun ottomoottori poistettiin ja tilalle rakennettiin sähkömoottori hihnapyörineen. Näin saatiin meluttomampi, päästöttömämpi, kevyempi systeemi, jota on helppo käynnistää ja sammuttaa. Validointimittauksella selvitettiin, miten hyvin pääkeruuputkiston kartiomainen suutin kerää renkaan nostattaman pölypilven. Mittaustulokset osoittivat, että suutin kerää suurimman osan pölypilvestä, ja todettiin, että sen suhteen ei ole muutostarvetta. Tämän projektin jälkeen mittauskampanjoita on helpompaa suorittaa, ja mittaustuloksista tulee entistä tarkempia.

Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.

Korkeapainevesisumusuuttimen virtaustekninen laadunhallinta

Tämä työ vastaa tarpeeseen hallita korkeapainevesisumusuuttimen laatua virtausmekaniikan työkalujen avulla. Työssä tutkitaan suutinten testidatan lisäksi virtauksen käyttäytymistä suuttimen sisällä CFD-laskennan avulla. Virtausmallinnus tehdään Navier-Stokes –pohjaisella laskentamenetelmällä. Työn teoriaosassa käsitellään virtaustekniikkaa ja sen kehitystä yleisesti. Lisäksi esitetään suuttimen laskennassa käytettävää perusteoriaa sekä teknisiä ratkaisuja. Teoriaosassa käydään myös läpi laskennalliseen virtausmekaniikkaan (CFD-laskenta) liittyvää perusteoriaa. Tutkimusosiossa esitetään käsitellyt suutintestitulokset sekä mallinnetaan suutinvirtausta ajasta riippumattomaan virtauslaskentaan perustuvalla laskentamenetelmällä. Virtauslaskennassa käytetään OpenFOAM-laskentaohjelmiston SIMPLE-virtausratkaisijaa sekä k-omega SST –turbulenssimallia. Tehtiin virtausmallinnus kaikilla paineilla, joita suuttimen testauksessa myös todellisuudessa käytetään. Lisäksi selvitettiin mahdolliset kavitaatiokohdat suuttimessa ja suunniteltiin kavitaatiota ehkäisevä suutingeometria. Todettiin myös lämpötilan ja epäpuhtauksien vaikuttavan kavitaatioon sekä mallinnettiin lämpötilan vaikutusta. Luotiin malli, jolla suuttimen suunnitteluun liittyviin haasteisiin voidaan vastata numeerisella laskennalla.