Simulation of unsteady free surface flows - code verification and discretisation error

In this work a numerical method for the solution of unsteady, inviscid free surface flows is developed. The method is verified and the behaviour of the error related to the numerical method, as the discretisation is refined, is studied in detail. The work divides into two distinct parts. The first one focuses on the development of the solution method. The method is based on unstructured, two dimensional finite volume method. The free surface boundary conditions are satisfied on the instantaneous free surface and the computational grid tracks the deformation of the surface. Typically, in comparable methods the flow and free surface solutions are solved by time integrating the governing equations in two separate stages, which are iterated. The decoupling of the solutions limits the allowable time step in the integration, which makes the approach computationally expensive. In this work two different approaches are presented for the coupling of the solutions, which relax the time step restriction. The approaches that are proposed differ significantly from the coupling approaches presented previously in the literature in that the implementation into the existing pressure correction type solvers is straightforward. The second part concentrates on the verification of the implementation of the numerical method, i.e. on code verification, and on the investigation of the error related to the discretisation of the continuous problem. In both cases, the analysis is based on the method of manufactured solutions (MMS), in which the governing equations are modified, so that the modified equations have a desired analytical solution. The difference to previous studies is that here the technique has been applied for the verification of an unsteady free surface solution method. The verification of such methods has typically been based on i.a. the use of approximate, high order solutions. MMS has the advantage that the numerical solution can be compared with an exact, analytical solution. It is demonstrated in the work that the governing equations were implemented correctly into the developed method and that the method is of second order of accuracy. In addition to the code verification, MMS is used to study the influence of different discretisations and grid refinement strategies on the local error and its convergence. In case of the verification of the free surface solution method the investigation based on a global error norm is extended with an analysis of the Fourier components of the error. A two parameter, approximate model is presented for the temporal variation of the primary component of the solution, with which it is possible to deepen the verification. The model is also used for an uncertainty estimation

Design of hydraulic cylinder for hand-held tool

The goal of the thesis project was to design a concept prototype of a hand-held tool and to use components in the products the company has designed. The tool had to develop a 55kN force, maximum cycle time was four seconds and the hand part of the tool could weight no more than two kilograms. In the first phase goals were defined and the information was gathered on the projected loading cycle, lifetime, different solutions, components and techniques used in them. The solution concepts were compared using a morphological table and calculations files done with MatLab program. Based on the rankings and performance calculations, two basic design choices were compared: an electro-mechanical and an electro-hydraulic solution. The electro-hydraulic solution was chosen for further development. For it a new aluminium double acting hydraulic cylinder was designed along with a plastic tool body. Two different basic models of the tool were made for appraisal and one of them was chosen for development. The 3D-model, static loading simulations, 2D-drawings and initial failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) were done for this solution. Performance goals for the tool were met but the tool was 300 g over the weight limit set of two kilograms. The conclusions of this project are useful for the company as they can make a prototype based on 2D drawings and use the information gathered on further development of the tool. A thorough report of the work done is included in the report given to FELCO Motion SA. The public thesis focuses on the basic theory used in the project and on the design of the hydraulic cylinder.Opinnäytetyössä kehitettiin uusi käsikäyttöinen työkalu FELCO Motion SA -yritykselle. Työkalun piti tuottaa 55 kN voima, työkierron aika oli korkeintaan 4 sekuntia ja paino korkeintaan 2 kg. Lisäksi työkalun suunnittelussa pitää käyttää mahdollisimman paljon osia työkaluista, joita yrityksellä on jo tuotannossa. Työn suoritus aloitettiin määrittelemällä tavoitteet. Seuraavaksi kerättiin tietoa oletetusta työkierrosta, rasituksen jakautumisesta työkierron aikana ja työkalun eliniästä. Lisäksi eri ratkaisuvaihtoehtoja verrattiin toisiinsa morfologisella taulukolla ja MatLab-ohjelmalla tehdyillä laskuilla. Vertailun perusteella suunniteltiin elektromekaaninen ja elektrohydraulinen perusratkaisu, joista elektrohydraulinen ratkaisu valittiin jatkokehitykseen. Elektrohydrauliselle konseptille kehitettiin uusi alumiininen kaksitoiminen hydraulisylinteri, sylinteriin liitettävä mekaniikka ja työkalun muovinen kuori. Tästä työkalun versiosta tehtiin kaksi perusmallia. Paremmaksi arvioitu ratkaisu valittiin ja siitä tehtiin lopullinen 3D-malli Solidworks-ohjelmistolla. 3D-mallin perusteella tehtiin rakenteelle staattisen kuormituksen simulaatiot, 2D-piirustukset ja vika-, virhe-, vaikutus- ja kriittisyysanalyysi. Työkalun viimeisen version suorityskyky vastaa odotuksia mutta paino on 300 g yli 2 kg tavoitteen. Opinnäytetyöstä saatu tieto on hyödyllistä yritykselle, koska se voi tehdä prototyypin sen perusteella ja käyttää huolella tehtyä analyysia työkalun jatkokehityksessä. Opinnäytetyöstä kirjoitettiin tätä yksityiskohtaisempi raportti FELCO Motion SA:lle. Julkisessa opinnäytetyössä on arkaluonteisia asioita jätetty pois ja keskitytty enemmän projektissa käytettyihin teorioihin ja analyysimenetelmiin. Opinnäytetyö on tehty englanninkielisenä, jotta yritys voi tarkistaa ja ymmärtää sen

Russia of Transformations

The reader is holding the second, more comprehensive study on developments in Russia commissioned by the Ministry of Defence. The first, published in 2008, focused on society and domestic politics, the economy, traffic and transport, the environment and energy, and foreign and security policy. At the time, this project represented a new approach. Extensive use was made of expertise outside the defence establishment, while reports submitted for publication were drawn up by thematic working groups, based on the preliminary research question and their own work. From the Finnish security perspective, the ‘Russia of Challenges’ publication demonstrated a clear need to gather knowledge on Russia produced, analysed and processed in a practical manner. Three editions were published. Of these, around 13,000 copies in Finnish and 2,700 in English were downloaded from the internet. Over a period of four years, developments in both Russia and the international community have once again created the need for a survey of Russia by Finnish experts and specialists in various fields

Muutosten Venäjä

Lukijalla on nyt kädessään järjestyksessään toinen puolustusministeriön tilaama laajempi tutkimus Venäjän kehityksestä. Vuonna 2008 julkaistussa Venäjä–tutkimuksessa tarkastelun kohteena olivat yhteiskunta ja sisäpolitiikka, talous liikenne ja kuljetus, ympäristö ja energia sekä ulko- ja turvallisuuspolitiikka. Hankkeen toteuttamismalli oli uusi: siinä hyödynnettiin laajasti puolustushallinnon ulkopuolista osaamista ja teemaryhmät tuottivat annettujen kysymysten ja työskentelynsä pohjalta raportit, jotka toimitettiin julkaisuksi. Haasteiden Venäjä -julkaisu osoitti selvän tarpeen Suomen turvallisuuden näkökulmasta tuotetun, analysoidun ja käytännönläheisen Venäjä-tiedon kokoamiselle. Julkaisusta otettiin kolme painosta ja suomenkielisten Internet-latausten määrä oli noin 13 000 ja englanninkielisten noin 2 700. Neljän vuoden aikana sekä Venäjällä että kansainvälisessä yhteisössä tapahtunut kehitys ovat jälleen kannustaneet kokoamaan yhteen eri alojen kotimaisen Venäjä-asiantuntemuksen

Perinteisestä ohjelmistotuotannosta DevOps-toimintamalliin: Miten DevOps vastaa perinteisen ohjelmistotuotannon ongelmiin?

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia miten DevOps-toimintamalli vastaa perinteisen ohjelmistotuotannon toimintamallin ongelmiin. DevOps-toimintamalli on syntynyt korjaamaan yleisiä ohjelmistotuotannon haasteita ja sen tavoitteena on nopeuttaa kehitettävän ohjelmiston julkaisusykliä, parantaa julkaistavan ohjelmiston laatua ja tuoda sujuva yhteistyö kehitystyön sekä operatiivisen toiminnan osastojen välille. Tutkimus toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Tutkimusaineistoa on haettu Tampereen yliopiston tietokannoista tieteellisten artikkelien, konferenssijulkaisujen sekä kirjojen muodossa. Tutkimuksessa käsiteltiin perinteisen ohjelmistotuotannon sekä DevOps-toimintamallin ratkaisevia eroja. Työssä avattiin perinteisen ohjelmistotuotannon käsitettä ja esitettiin tunnettuja haasteita sekä ongelmia siihen liittyen. Tutkimuksessa todettiin perinteisen ohjelmistotuotannon koostuvan nykypäivänä suurimmaksi osin vesiputousmallista sekä ketterästä toimintamallista. DevOps-toimintamallia tarkasteltiin kolmen osa-alueen kautta, jotka ovat yhteistyökulttuuri, käytännöt ja työkalut, joita peilattiin perinteisen ohjelmistotuotannon ongelmiin. Tulokset tuotiin yhteen taulukon avulla, jossa nähdään perinteisen ohjelmistotuotannon sekä DevOps-toimintamallin tärkeimmät erot. Tutkimuksessa selvisi, että perinteisen ohjelmistotuotannon ongelmien perustana on vahvat juuret toiminnallisten osastojen siiloutumiseen eli kehitystyön sekä operatiivisen toiminnan kahtiajakoon. Ohjelmiston kehitystyön tullessa valmiiksi, vastuu ohjelmistosta siirtyy julkaisua koordinoivalle operatiiviselle toiminnalle. Tällöin kehitystyö ei ole aina linjassa operatiivisen toiminnan tekemien muutosten kanssa ja toisinpäin. Perinteisen ohjelmistotuotannon julkaisusyklit kestävät noin 2 viikkoa. Pitkä julkaisusykli kasvattaa ohjelmiston julkaisukokoa eli ohjelmistoja kehitetään suurissa erissä. Tämä tuo haasteita käyttäjille julkaistavan ohjelmiston testaamiseen, sillä virheitä saattaa ilmetä suuria määriä kerralla. Siiloutumisen takia julkaisusykliä on vaikea lyhentää, sillä osastojen välille syntyy pullonkauloja. DevOps-toimintamallissa ymmärretään, että suuret julkaisukoot ovat monimutkaisia ja siinä organisaatiorakenteen sekä osastojen välisen yhteistyökulttuurin avulla pystytään automaatiota käyttämällä lyhentämään julkaisusyklit päiviin tai jopa tunteihin. Näin voidaan työskennellä hyvin pienissä erissä, jolloin havaitut virheet pystytään korjaamaan nopeasti

Implisiittisen menetelmän implemointointi vapaan nestepinnan RANS ratkaisijaan konvergenssin parantamiseksi

Kitkallista virtausta ratkaisevien RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) koodien käyttöönottoa laivasuunnittelussa on hidastanut niiden suhteellisen pitkät laskenta-ajat verrattuna ratkaisijoihin, jotka perustuvat potentiaalivirtauksen teoriaan. Kuitenkin erityisesti uusien, innovatiivisten runkomuotojen laskennassa RANS ratkaisijoilla on tarkemman fysiikan mallinnuksen ansiosta saavutettavissa selviä etuja. Teknillisen korkeakoulun laivalaboratoriossa kehitettävässä FINFLO-LAIVA virtausratkaisijassa vapaan nestepinnan ongelmaa käsitellään kahtena itsenäisenä osana. Käytetyssä lähestymistavassa ratkaistaan aikaintegroimalla vuorotellen virtaussuureita ja vapaan pinnan deformaatiota. Laskentaverkkoa muutetaan jokaisella iteraatiokierroksella siten, että se seuraa pinnan liikettä. Tässä työssä on pyritty vähentämään tarvittavia laskentakierroksia korvaamalla vapaan nestepinnan eksplisiittinen aikaintegrointi implisiittisellä versiolla. Tarkoituksena on ollut mahdollistaa suurempien aika-askeleiden käyttö vapaan nestepinnan ratkaisussa ja siten saavuttaa tasapainotila nopeammin. Rungon lähellä olevan aaltokentän ratkaisussa ilmenneiden ongelmien välttämiseksi menetelmään on implementoitu lisäksi mahdollisuus lisätä vapaan nestepinnan ratkaisuun tarvittaessa keinotekoista toisen kertaluvun diffuusiota. Testitapauksena on käytetty Wigley-mallia Frouden luvulla 0.289 ja tuloksia on verrattu mallikokeisiin sekä alkuperäisellä eksplisiittisellä menetelmällä saatuihin tuloksiin. Kokonaisvastus ja aaltoprofiili rungolla vastaavat erinomaisesti mitattuja tuloksia. Lisäksi eksplisiittisellä ja implisiittisellä menetelmällä saadut tulokset ovat identtisiä. Testilaskennat osoittavat, että implisiittinen menetelmä mahdollistaa suurempien aika-askeleiden käytön. Rungon lähellä laskennan nopeutuminen on kuitenkin toivottua pienempää. Toisaalta kauempana rungosta erityisesti vapaan nestepinnan ratkaisu on nopeutunut merkittävästi. Ratkaisua ei todennäköisesti kuitenkaan saada enään merkittävästi nopeutettua muokkaamalla nykyistä vapaan pinnan menetelmää. Huomattavampia etuja saatettaisiin saavuttaa ratkaisemalla aallon korkeus yhdessä virtaussuureiden kanssa

Ship Dynamics for Performance Based Design and Risk Averse Operations

More than a century-and-half ago, William Froude and his son Robert conducted the first scientifically designed towing tank experiments using scaled ship models travelling in calm water and waves. Since then, advances in mathematics and technology led to the development of various methods for the assessment of the dynamic behavior of ships. Today it is recognized that continuous improvement of direct assessment methods validated by model experiments or full-scale measurements are the doctrine of naval architecture. Yet, as we enter the 3rd decade of the 21st Century the advent of goal-based regulations and the emergence of safe and sustainable shipping standards still confront our ability to understand the fundamentals and assure absolute ship safety in design and operations. To instigate renewed interest on the well-rehearsed subject of ship dynamics, this Booklet presents a collection of 12 high-quality research contributions with a focus on the prediction and analysis of the dynamic behavior of ships in a stochastic environment. The papers presented are co-authored by leading academics and practitioners from Europe, the Far East and USA.Peer reviewed1s

Ship Dynamics

Non peer reviewe