Laskennallinen ja prosessitekniikka

Sovellettu matematiikka ja tilastotiede

Sovellettu matematiikka ja tilastotiede kuuluvat osastolla tapahtuvan tutkimuksen ydinalueisiin. Tutkimusryhmässämme on kansainvälisesti erityinen osaamiskeskittymä epävarmuuden matemaattisessa mallintamisessa yhdistettynä inversio-ongelmien tutkimusalaan. Tutkimuksemme painopistealueita ovat muun muassa parametriset ja ei-parametriset tilastolliset inversio-ongelmat, hierarkiset mallit, MCMC, optimointi, stokastiset differentiaaliyhtälöt ja osittaisdifferentiaaliyhtälöt ja kaoottiset järjestelmät. Matemaattisen menetelmätutkimuksen lisäksi tähtäämme laajaan poikkitieteelliseen vaikuttavuuteen: teemme yhteistyötä suurten tutkimusinfrastruktuurien (satelliittimissiot, European Southern Observatory, European Incoherent Scatter Radar EISCAT3D), sektoritutkimuslaitosten, teollisuuden ja rahoituslaitosten kanssa. Tiimimme on osa Suomen Akatemian myöntämää Inversiomallinnnuksen ja kuvantamisen huippuyksikköä.

Lue lisää tutkimusryhmästä Epävarmuuden mallintaminen ja inversio-ongelmat

Materiaalien laskennallinen mallinnus

Materiaalien laskennallisen mallinnuksen osaajia tarvitaan teollisuudessa monella saralla. Laskennallisesti on onnistuttu selvittämään eri aineiden atomitason ilmiöitä, esimerkiksi hapettumisen alkuvaiheet monilla metallipinnoilla.

Tällaisten ilmiöiden ymmärtäminen ja hallinta ovat tärkeässä osassa, kun pyritään parantamaan prosessien tehokkuutta, parantamaan niiden kesto-ominaisuuksia, tai suunnittelemaan entistä ympäristöystävällisempiä materiaaleja.

Tutkimusryhmämme tutkii teollisuuden kannalta merkittäviä materiaaleja laskennallisen mallinnuksen avulla. Käytössämme on useita ab initio -laskentaohjelmistoja, jotka perustuvat tiheysfunktionaaliteoriaan (DFT), ja lisäksi muutamia Low-Energy Electron Diffraction (LEED) -ohjelmia.

DFT-menetelmillä olemme keskittyneet erityisesti metallipintojen ilmiöihin, kuten esimerkiksi kuparin hapettumiseen, katalyyttisiin reaktioihin ja sähkömoottori-materiaalien mallinnukseen. Tutkimme myös titaanidioksidin nanopartikkelien ominaisuuksia.

Uusimpana tutkimuskohteena olemme myös mukana Suomen Akatemian rahoittamassa MUMO-projektissa, jossa tutkitaan biomassan prosessoinnissa tapahtuvia kemiallisia reaktioita.

LEED-menetelmien suhteen kiinnostuksen kohteena ovat molekyylikalvot, monimutkaiset metalliseokset, nano-rakenteiset kalvot, ja näiden vuorovaikutus yksinkertaisten adsorbaattien kanssa.

Huomattava osa tutkimustamme on LEED-menetelmän hyödyntäminen monimutkaisten pintarakenteiden tutkimukseen. LEED-menetelmän yhdistäminen ab initio -laskennan kanssa muodostaa vakaan pohjan materiaalien rakennetutkimukselle käyttäen toisiaan täydentäviä, toisistaan riippumattomia menetelmiä.

Lue lisää tutkimusryhmän wiki-sivulta.

Sumea logiikka ja pehmeä laskenta

Tällä osaamisalueella sovelletun matematiikan laboratorion tutkijat ovat pitkään olleet teoreettisen tutkimuksen eturintamassa. Menetelmiä on käytetty monissa teollisissa ongelmissa, joissa pehmeän laskennan menetelmät ovat tulleet jäädäkseen.

Ryhmämme tutkii useita laskennallisia menetelmiä, joita käytetään pääasiassa data-analyysissä. Käytännön tavoitteemme on tuottaa uusia menetelmiä ja työkaluja perustuen sumeaan joukkoteoriaan.

Sumean logiikan ja pehmeän laskennan päätutkimusalueet:
•    Sumeaan joukkoteoriaan ja evoluutiolaskentaan perustuvat luokittelumenetelmät
•    Sumeisiin mittoihin perustuvat muuttujien valintamenetelmät
•    Sumeaan pääkomponenttianalyysiin perustuvat menetelmät

Muita tutkimuskohteita:
•    Sumeat lineaariset järjestelmät
•    Sumeat differentiaaliyhtälöt
•    Sumeat monikriteeriset päätöksentekomenetelmät

Lue lisää tutkimusryhmän wiki-sivulta.

Laskennallinen virtausmekaniikka

Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) tutkimuksessa keskitymme teollisuuden virtausongelmien mallintamiseen. Esimerkkeinä voidaan mainita monifaasivirtaukset, kuten paperin valmistuksessa esiintyvien kuitususpensioiden virtauksien mallinnus.

Laskennallista virtausmekaniikkaa käytetään myös mm. sääennusteissa ja ilmastomalleissa sekä tuulienergiaan liittyvissä simuloinneissa.

Konenäkö ja hahmontunnistus (MVPR)

Konenäön ja hahmontunnistuksen (Machine Vision and Pattern Recognition, MVPR) tavoitteena on hyödyllisten ja merkittävää lisäarvoa tuottavien sovellusten tuottaminen erityisesti digitaalista kuvankäsittelyä ja kuva-analyysiä hyödyntäen. Esimerkiksi konenäköratkaisuilla parannetaan prosessiteollisuuden tehokkuutta ja lääketieteellisen kuva-analyysin avulla parannetaan silmäsairauksien hoitoa.

Yksikössämme tutkitaan laskennallista näköä ja mallinnusta, koneoppimista sekä hahmontunnistusta. Palvelemme myös teollisuutta asiantuntijaorganisaationa, teemme soveltavaa tutkimusta ja koulutamme asiantuntijoita tutkimusaloillaan. Osaamisalueemme tuottaa kandi-, maisteri- ja tohtoritason Älykkään laskennan pääaineen Laskennallisen tekniikan koulutusohjelmassa.

Tutkimuksen painopistealueet ovat visuaalinen tarkastelu (visual inspection), laskennallinen näkö (computational vision), lääketieteellinen kuvantaminen ja kuvankäsittely (medical imaging and processing), värinäkö (color science), ja biomolekulaarinen näkö (biomolecular vision).

Tutkimuksen sovelluskohteita ovat kappaleen havaitseminen ja tunnistaminen, teollinen konenäkö, silmän retinakuvien käsittely ja analyysi, spektrikuvantaminen ja -analyysi sekä fotoaktiivisten biomolekyylien mallintaminen.

MVPR kuuluu LUT:n tutkimuksen kärkiyksikköön Computational Photonics Imaging (COMPHI) ja on myös osa Suomen Akatemian inversiolaskennan ongelmien huippuyksikön tutkimustoimintaa.

MVPR:n tutkimusta rahoittavat Suomen Akatemia, Euroopan unioni, TEKES ja yksityiset yritykset. MVPR:llä on laaja kansallinen ja kansainvälinen tutkimusyhteistyöverkosto, johon kuuluu yliopistoja mm. Yhdysvalloista ja useista Euroopan maista.

Lisätietoa tutkimuksesta saa Konenäön ja hahmontunnistuksen laboratorion tutkimusryhmän sivulta. Tutkimussivulla on myös lista laboratorion työntekijöistä ja tutkimusprojekteista.

Prosessitekniikka

Prosessitekniikka käsittää prosessien kehitystutkimuksen, biojalostamoista saatavien tuotteiden erottamiseen ja puhdistamiseen joko lopputuotteeksi tai jatkojalostusta varten, sekä kemiantekniikan digitalisaatioon liittyvän tutkimuksen. Siinä vahvana osa-alueena on kemiallisten mittausten mittatiede, jonka tavoitteena on parantaa ja varmentaa mittausten luotettavuutta ja jäljitettävyyttä. Elektrolyyttiliuosten termodynamiikka keskittyy jäljitettävien epäideaalisuusmallien etsimiseen ja tutkimiseen arvioitaessa suolaliuosten ja muiden ionien muodostamien systeemien termodynaamisia ominaisuuksia. Näiden epäideaalisuuksien arviointi on välttämätöntä laskettaessa teoreettisesti tällaisia ominaisuuksia.

Eeva Jernström, erikoistutkija, varajohtaja LENS (Biojalostamot)
Tuomas Koiranen, professori (Prosessien kehitys ja prosessien intensifiointi)
Jaakko Partanen, tutkijaopettaja (Elektrolyyttiliuosten termodynamiikka)
Satu-Pia Reinikainen, professori (Kemiantekniikan digitalisaatio)

 

Ota yhteyttä

Professori Heikki Haario
0400 814 092
heikki.haario@lut.fi