Comparazione di metodi per l'elaborazione di mappe di vulnerabilità degli acquiferi

Lo scopo di questa tesi di dottorato è la comparazione di metodi per redarre mappe della vulnerabilità degli acquiferi all’inquinamento. Sono state redatte le mappe di vulnerabilità dell’acquifero della conoide del Reno utilizzando i metodi parametrici SINTACS (Civita e De Maio, 1997) e DRASTIC (Aller et al., 1987). E' stato elaborato un modello tridimensionale del flusso tramite l'utilizzo del software di modellistica numerica FEFLOW. I risultati ottenuti sono stati confrontati con le mappe derivanti dall'appllicazione dei PCSM. E’ stato, inoltre, approfondito lo sviluppo di un modello inverso, che, partendo dalla distruzione del carico piezometrico, fornisce la distribuzione della conducibilità idraulica dell’acquifero.La conoscenza di questo parametro è, infatti, il punto di partenza per lo sviluppo di un nuovo metodo per la definizione della vulnerabilità basato sulla caratterizzazione dell'area di acquifero potenzialmente inquinabile rispetto ad uno sversamento in superficie di un inquinante.L’indice di vulnerabilità viene definito sulla lunghezza del cammino che un inquinante percorrere nell’arco di un anno.

Second law analysis and simulation techniques for the energy optimization of buildings

The research activity described in this thesis is focused mainly on the study of finite-element techniques applied to thermo-fluid dynamic problems of plant components and on the study of dynamic simulation techniques applied to integrated building design in order to enhance the energy performance of the building. The first part of this doctorate thesis is a broad dissertation on second law analysis of thermodynamic processes with the purpose of including the issue of the energy efficiency of buildings within a wider cultural context which is usually not considered by professionals in the energy sector. In particular, the first chapter includes, a rigorous scheme for the deduction of the expressions for molar exergy and molar flow exergy of pure chemical fuels. The study shows that molar exergy and molar flow exergy coincide when the temperature and pressure of the fuel are equal to those of the environment in which the combustion reaction takes place. A simple method to determine the Gibbs free energy for non-standard values of the temperature and pressure of the environment is then clarified. For hydrogen, carbon dioxide, and several hydrocarbons, the dependence of the molar exergy on the temperature and relative humidity of the environment is reported, together with an evaluation of molar exergy and molar flow exergy when the temperature and pressure of the fuel are different from those of the environment. As an application of second law analysis, a comparison of the thermodynamic efficiency of a condensing boiler and of a heat pump is also reported. The second chapter presents a study of borehole heat exchangers, that is, a polyethylene piping network buried in the soil which allows a ground-coupled heat pump to exchange heat with the ground. After a brief overview of low-enthalpy geothermal plants, an apparatus designed and assembled by the author to carry out thermal response tests is presented. Data obtained by means of in situ thermal response tests are reported and evaluated by means of a finite-element simulation method, implemented through the software package COMSOL Multyphysics. The simulation method allows the determination of the precise value of the effective thermal properties of the ground and of the grout, which are essential for the design of borehole heat exchangers. In addition to the study of a single plant component, namely the borehole heat exchanger, in the third chapter is presented a thorough process for the plant design of a zero carbon building complex. The plant is composed of: 1) a ground-coupled heat pump system for space heating and cooling, with electricity supplied by photovoltaic solar collectors; 2) air dehumidifiers; 3) thermal solar collectors to match 70% of domestic hot water energy use, and a wood pellet boiler for the remaining domestic hot water energy use and for exceptional winter peaks. This chapter includes the design methodology adopted: 1) dynamic simulation of the building complex with the software package TRNSYS for evaluating the energy requirements of the building complex; 2) ground-coupled heat pumps modelled by means of TRNSYS; and 3) evaluation of the total length of the borehole heat exchanger by an iterative method developed by the author. An economic feasibility and an exergy analysis of the proposed plant, compared with two other plants, are reported. The exergy analysis was performed by considering the embodied energy of the components of each plant and the exergy loss during the functioning of the plants.

Criteri di integrazione nelle trasformazioni dello spazio urbano

La tesi di ricerca, a partire dallo studio di aspetti concettuali e metodologici connessi al progetto dello spazio urbano, in termini di elementi spaziali, tipologie di prodotti e processi della progettazione, si propone di definire i temi critici di un approccio progettuale integrato, quali contributi alla base di una proposta di revisione della lettura dei criteri della composizione architettonica e urbana. L'approfondimento dei principi posti alla base della qualità  dello spazio urbano - intesa secondo un'accezione ampia del termine entro cui far convergere il tema della sostenibilità  - ha indotto a condurre una riflessione specifica sull'incidenza dell'interazione tra fattori progettuali e procedurali, secondo una visione sistemica che sposta l'attenzione dagli oggetti alle relazioni, quali elementi chiave della comprensione delle dinamiche urbane. L'analisi critica di esperienze applicative esemplari selezionate nel contesto europeo, riferita agli stessi temi critici dell'integrazione offre uno strumento essenziale di indagine, approfondimento e verifica puntuale di indirizzi e linee strategiche, utile anche per l'individuazione di un percorso preventivo di analisi degli elementi significativi del controllo del progetto. La valutazione comparata dei casi, mettendo in relazione interventi a scala urbana e specifiche realizzazioni a scala architettonica, si propone di evidenziare come l'efficacia delle strategie più generali possa tradursi nel valore dei progetti di dettaglio solo attraverso un approccio metodologico integrato, capace di incidere profondamente e proficuamente sulla qualità  delle trasformazioni dello spazio urbano. Porsi in un atteggiamento critico capace di interpretare la complessità  della realtà  contemporanea secondo una prospettiva a-scalare della progettazione, rappresenta la condizione essenziale per promuovere e valorizzare una creatività  progettuale capace di definire scenari contemporanei e futuri più responsabili e consapevoli.

Modelli Digitali e Archivi di Progetto. Sistemi integrati di documentazione per l'architettura.

Le tecniche dell'informazione e i metodi della comunicazione hanno modificato il modo di redigere documenti destinati a trasmettere la conoscenza, in un processo che è a tutt'oggi in corso di evoluzione. Anche l'attività progettuale in ingegneria ed architettura, pure in un settore caratterizzato da una notevole inerzia metodologica e restio all'innovazione quale è quello dell'industria edilizia, ha conosciuto profonde trasformazioni in ragione delle nuove espressioni tecnologiche. Da tempo l'informazione necessaria per realizzare un edificio, dai disegni che lo rappresentano sino ai documenti che ne indicano le modalità costruttive, può essere gestita in maniera centralizzata mediante un unico archivio di progetto denominato IPDB (Integrated Project DataBase) pur essendone stata recentemente introdotta sul mercato una variante più operativa chiamata BIM (Building Information Modelling). Tuttavia l'industrializzazione del progetto che questi strumenti esplicano non rende conto appieno di tutti gli aspetti che vedono la realizzazione dell'opera architettonica come collettore di conoscenze proprie di una cultura progettuale che, particolarmente in Italia, è radicata nel tempo. La semantica della rappresentazione digitale è volta alla perequazione degli elementi costitutivi del progetto con l'obiettivo di catalogarne le sole caratteristiche fabbricative. L'analisi della letteratura scientifica pertinente alla materia mostra come non sia possibile attribuire ai metodi ed ai software presenti sul mercato la valenza di raccoglitori omnicomprensivi di informazione: questo approccio olistico costituisce invece il fondamento della modellazione integrata intesa come originale processo di rappresentazione della conoscenza, ordinata secondo il paradigma delle "scatole cinesi", modello evolvente che unifica linguaggi appartenenti ai differenti attori compartecipanti nei settori impiantistici, strutturali e della visualizzazione avanzata. Evidenziando criticamente i pregi e i limiti operativi derivanti dalla modellazione integrata, la componente sperimentale della ricerca è stata articolata con l'approfondimento di esperienze condotte in contesti accademici e professionali. Il risultato conseguito ha coniugato le tecniche di rilevamento alle potenzialità di "modelli tridimensionali intelligenti", dotati cioè di criteri discriminanti per la valutazione del relazionamento topologico dei componenti con l'insieme globale.

Studio Concettuale, Progettazione e Realizzazione di un Nuovo Rotatore Omerale per Protesi Mioelettriche di Arto Superiore

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

Termofluidodinamica di un Getto di Litio

Calcolo della superficie curvilinea di scorrimento di un getto di litio in maniera che la pressione lungo il getto vari in maniera lineare. Formulazione di un codice di calcolo per la determinazione delle diverse possibili superfici. Studio termofluidodinamico del getto con codici CFD. Accoppiamento tra codici di sistema e codici CFD. Valutazioni delle condizioni di Incipient Boiling per il litio.

La via Emilia tra Rimini e Forlì. Ruolo e immagine della strada

Abstract Il tema delle infrastrutture, intese come parte dell’architettura dello spazio urbano e del territorio, assume un ruolo centrale in molti progetti contemporanei e costituisce la ragione di questa ricerca. E’ preso in esame, in particolare, il tracciato extraurbano della via Emilia, antica strada consolare romana la cui definizione risale al II sec. a.C., nel tratto compreso tra le città di Rimini e Forlì. Studiare la strada nel suo rapporto con il territorio locale ha significato in primo luogo prendere in considerazione la via Emilia in quanto manufatto, ma anche in quanto percorso che si compie nel tempo. Si è dunque cercato di mostrare come, in parallelo all’evoluzione della sua sezione e della geometria del suo tracciato, sia cambiata anche la sua fruizione, e come si sia evoluto il modo in cui la strada viene “misurata”, denominata e gestita. All’interno di una riflessione critica sulla forma e sul ruolo della strada nel corso dei secoli la Tesi rilegge il territorio nella sua dimensione di “palinsesto”, riconoscendo e isolando alcuni momenti in cui la via Emilia ha assunto un valore “simbolico” che rimanda alla Roma imperiale. La perdita del significato via Emilia, intesa come elemento di “costruzione” del territorio, ha origine con il processo di urbanizzazione diffusa che ha investito il territorio extraurbano a partire dalla fine della seconda guerra mondiale. La condizione attuale della strada, sempre più congestionata dal traffico veicolare, costituisce la premesse per una riflessione sul futuro della sua forma e degli insediamenti che attraversa. La strategia proposta dagli Enti locali che prevede il raddoppio della strada, con la costruzione della via Emilia Bis, non garantisce solo un potenziamento infrastrutturale ma rappresenta l’occasione per sottrarre al tracciato attuale la funzione di principale asse di comunicazione extraurbana. La via Emilia potrebbe così recuperare il ruolo di itinerario narrativo, attraverso la configurazione dei suoi spazi collettivi, l’architettura dei suoi edifici, il significato dei suoi monumenti, e diventare spazio privilegiato di relazione e di aggregazione. The theme of urban infrastructures, thought as part of the design of urban space and territory, has a central role in several contemporary projects and is the reason of this research. The object of the study is the extra urban route of the via Emilia, an ancient roman road which has been defined in the II century b. C., in its stretch between the cities of Rimini and Forlì. Studying the road in its relationship with the local environment has meant first of all considering the via Emilia as an “artefact” but also as a path that takes place over time. The aim of this research was also to demonstrate how its fruition has changed together with the evolution of the section and geometry of the route, and how the road itself is measured, named and managed. Within a critical approach on the shape and on the role played by the road through the centuries, this Essay reinterprets the territory in its dimension of “palimpsest”, identifying and isolating some periods of time when the via Emilia assumed a symbolic value which recalls the Imperial Rome. The loss of the meaning of the via Emilia, intended as an element that “constitutes” the territory originates from a process of diffused urbanization, which spread in the extra urban environment from the end of the second world war. The actual condition of the road, more and more congested by traffic, is the premise of a reflection about the future of its shape and of the settlements alongside. The strategy proposed by the local authorities, that foresees to double the size of the road, building the via Emilia Bis, not only guarantees an infrastructural enhancement but also it represents an opportunity to take off from the road itself the current function of being the principal axis of extra urban connection. In this way the via Emilia could regain its role as a narrative itinerary, through the configuration of its public spaces, the architecture of its buildings, the meaning of its monuments, and then become a privileged space of relationship and aggregation.

Neutronics analyses for fast spectrum nuclear systems and scenario studies for advanced nuclear fuel cycles

The present PhD thesis summarizes the three-years study about the neutronic investigation of a new concept nuclear reactor aiming at the optimization and the sustainable management of nuclear fuel in a possible European scenario. A new generation nuclear reactor for the nuclear reinassance is indeed desired by the actual industrialized world, both for the solution of the energetic question arising from the continuously growing energy demand together with the corresponding reduction of oil availability, and the environment question for a sustainable energy source free from Long Lived Radioisotopes and therefore geological repositories. Among the Generation IV candidate typologies, the Lead Fast Reactor concept has been pursued, being the one top rated in sustainability. The European Lead-cooled SYstem (ELSY) has been at first investigated. The neutronic analysis of the ELSY core has been performed via deterministic analysis by means of the ERANOS code, in order to retrieve a stable configuration for the overall design of the reactor. Further analyses have been carried out by means of the Monte Carlo general purpose transport code MCNP, in order to check the former one and to define an exact model of the system. An innovative system of absorbers has been conceptualized and designed for both the reactivity compensation and regulation of the core due to cycle swing, as well as for safety in order to guarantee the cold shutdown of the system in case of accident. Aiming at the sustainability of nuclear energy, the steady-state nuclear equilibrium has been investigated and generalized into the definition of the ``extended'' equilibrium state. According to this, the Adiabatic Reactor Theory has been developed, together with a New Paradigm for Nuclear Power: in order to design a reactor that does not exchange with the environment anything valuable (thus the term ``adiabatic''), in the sense of both Plutonium and Minor Actinides, it is required indeed to revert the logical design scheme of nuclear cores, starting from the definition of the equilibrium composition of the fuel and submitting to the latter the whole core design. The New Paradigm has been applied then to the core design of an Adiabatic Lead Fast Reactor complying with the ELSY overall system layout. A complete core characterization has been done in order to asses criticality and power flattening; a preliminary evaluation of the main safety parameters has been also done to verify the viability of the system. Burn up calculations have been then performed in order to investigate the operating cycle for the Adiabatic Lead Fast Reactor; the fuel performances have been therefore extracted and inserted in a more general analysis for an European scenario. The present nuclear reactors fleet has been modeled and its evolution simulated by means of the COSI code in order to investigate the materials fluxes to be managed in the European region. Different plausible scenarios have been identified to forecast the evolution of the European nuclear energy production, including the one involving the introduction of Adiabatic Lead Fast Reactors, and compared to better analyze the advantages introduced by the adoption of new concept reactors. At last, since both ELSY and the ALFR represent new concept systems based upon innovative solutions, the neutronic design of a demonstrator reactor has been carried out: such a system is intended to prove the viability of technology to be implemented in the First-of-a-Kind industrial power plant, with the aim at attesting the general strategy to use, to the largest extent. It was chosen then to base the DEMO design upon a compromise between demonstration of developed technology and testing of emerging technology in order to significantly subserve the purpose of reducing uncertainties about construction and licensing, both validating ELSY/ALFR main features and performances, and to qualify numerical codes and tools.