Analisi degli effetti dell���iniezione d���acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna �� principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite �� necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perch�� l'elevato calore latente di vaporizzazione pu�� fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca �� stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si �� articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensit�� di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Validazione di metodologie di simulazione dell���impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i pi�� utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto �� quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

Validazione di una metodologia per la simulazione della cavitazione in iniettori per applicazioni automobilistiche

Al giorno d���oggi, il primo obiettivo dell���industria automotive �� quello di ridurre il consumo di carburante e migliorare la qualit�� del processo di combustione, al fine di soddisfare i limiti di emissioni imposti, senza penalizzare le performance dei motori. In questo scenario, il comportamento dinamico dello spray gioca un ruolo cruciale, ed �� risaputo che esso dipenda anche dal processo di cavitazione all���interno di ogni singolo foro iniettore. L���appropriata predizione dello sviluppo di tale fenomeno �� fondamentale per comprendere e controllare le caratteristiche delle spray nei canali iniettori e consentire una pi�� accurata progettazione degli iniettori. In questo meccanismo, le simulazioni CFD ricoprono un ruolo di grande importanza, a causa delle dimensioni ridotte caratteristiche dei fori iniettori. Questi infatti non risultano spesso adatti ad un���analisi sperimentale dettagliata e precisa, e nel caso lo fossero, la valutazione �� limitata a pochi casi, essendo le attivit�� sperimentali complesse ed onerose. L���analisi computazionale presenta quindi vantaggi come una sostanziale riduzione del tempo e dei costi impiegati, non richiedendo infatti la costruzione e l���utilizzo di impianti appositi o prototipi. Lo scopo principale di questo progetto consiste nella validazione di un codice CFD capace di modellare la cavitazione, al fine di applicarlo successivamente ad un iniettore reale. Tale modello �� stato validato tramite confronto con dati sperimentali su un flusso cavitante attraverso un ugello ideale. Tra tutti i software commerciali disponibili, �� stato scelto CONVERGE poich�� innovativo nella generazione automatica della griglia e dettagliato nell���analisi chimica, permettendo di gestire geometrie di motori molto complesse. �� stato quindi ritenuto appropriato valutare la validit�� di tale codice nella modellazione della cavitazione, poich�� potrebbe dimostrarsi rilevante nello studio futuro dei motori a combustione interna.

Analisi Pressure Driven di un distretto della rete di distribuzione idrica della citt�� di Rapallo

La metodologia convenzionalmente adottata per l���analisi e progettazione di reti acquedottistiche �� la Demand Driven (DD), ovvero un���analisi guidata dalla domanda idrica dell���utenza che viene imposta, dal punto di vista matematico, nelle equazioni del modello idraulico; la struttura di risoluzione matematica di tale approccio �� costituita dalle sole equazioni di continuit�� e del moto, le cui incognite sono i carichi idraulici da garantire per soddisfare la richiesta idrica (dato noto). Purtroppo la DD non �� in grado di simulare, in modo ottimale, scenari in cui le pressioni in rete risultano essere inferiori rispetto a quelle richieste per un servizio di erogazione corretto. Dunque, per una completa analisi di una rete di distribuzione idrica, �� utile adottare la metodologia Pressure Driven (PD), che si basa sullo stesso modello matematico utilizzato per l���analisi DD al quale viene aggiunta un���equazione che lega la portata erogata alle utenze e la perdita idrica al carico idraulico disponibile in corrispondenza dei nodi. In questo caso un ulteriore dato incognito, oltre al carico idraulico nei nodi ed alla portata nelle condotte della rete, risulta essere la portata effettivamente prelevata ai nodi oppure persa (leakage) dalla rete. Il presente lavoro di tesi ha portato alla calibrazione del modello di un distretto della rete di distribuzione idrica della citt�� di Rapallo. Le simulazioni sono state eseguite attraverso il codice InfoWorks applicando sia la Demand Driven Analysis che risulta funzionale per l���ottenimento del modello calibrato, sia la Pressure Driven Analysis che non agisce sul bilancio complessivo della rete, ma interviene localmente nelle zone in cui le problematiche di funzionamento riscontrate riguardano le pressioni

Validazione di modelli per la simulazione del film di combustibile liquido a parete in motori ad accensione comandata

Le normative antinquinamento sempre pi�� stringenti in termini di emissioni prodotte da un MCI hanno reso necessario lo studio e lo sviluppo di modelli predittivi in grado quindi di simulare tutto ci�� che avviene all���interno della camera di combustione; allo scopo di ottimizzare quello che �� un prodotto industriale e che pertanto va venduto. Il presente elaborato di tesi si �� quindi incentrato sull���impatto che uno spray di combustibile, iniettato ad alta pressione, ha su pareti calde e fredde, analizzando tutto ci�� che concerne l���eventuale sviluppo di wall-film prodotto come la relativa massa, area, spessore e raffreddamento della parete per via della propria interazione con il film a parete. Sono stati prima di tutto studiati i fenomeni fisici in atto e successivamente analizzati i modelli implementati nel codice di calcolo commerciale utilizzato STAR-CD, in particolare il modello di boiling, il modulo 1D-CHT ed il modello di impatto Bai-ONERA; il tutto facendo riferimento a esperimenti, gi�� condotti, presenti in letteratura.

Metodologie per la simulazione fluidodinamica di pompe gerotor

La modellazione di una pompa gerotor pu�� essere svolta mediante l'utilizzo di modelli matematici di tipo numerico. Questo tipo di soluzione prevedere la realizzazione di un dominio fluido discretizzato. In questo lavoro l'analisi �� stata effettuata mediante il software STAR-CCM+. Sono state applicate due tecniche per la discretizzazione del dominio, l'Overset ed il Morphing, applicabili in problemi di interazione tra fluido e struttura in movimento. Analizzate le due tecniche, la seconda �� stata applicata nello studio del comportamento di una pompa gerotor. I risultati ottenuti hanno portato alla definizione di un secondo modello ottimizzato mediante la variazione della luce di aspirazione.

Analisi costi-benefici del Building Information Modeling (BIM) mediante casi studio e simulazione

Il lavoro svolto in questa tesi vuole proporsi come un���analisi critica ed economica di ci�� che il Building Information Modeling (BIM) rappresenta. La tesi si articola in una prima introduzione sul panorama attuale, identificando il problema che costituisce la sfida ingegneristica: l���ottimizzazione dei processi tecnici e realizzativi dell���industria delle costruzioni, migliorandone l���interoperabilit��. Di seguito, dopo un���attenta valutazione della letteratura disponibile, si desumeranno quanti pi�� dati validi per dare compiutezza alle analisi che verranno svolte dopo, in merito agli aspetti tecnici, pratici, e ai risvolti economici annessi. Si �� scelto come oggetto di studio un esperimento di collaborazione con l���Universit�� di Ferrara. Per dimostrare le potenzialit�� del BIM, si �� voluto riproporre in ambito accademico un���anteprima della realt�� professionale, affinch�� la simulazione possa essere quanto pi�� fedele alle problematiche discusse. Il lavoro svolto ha previsto la creazione del modello architettonico e strutturale del Co-Housing San Rocco, un complesso di edifici di nuova realizzazione proposto nella tesi di Bulletti. Il compito di ogni tesista �� ben definito: Bulletti Simone, studente di Architettura dell���Universit�� di Ferrara, ha trattato gli aspetti architettonici del progetto. L���autore della presente tesi ha invece sviluppato il modello strutturale, svolgendo in seguito un���analisi dei vantaggi economici e gestionali che questa metodologia ha offerto.

Calibrazione e validazione di modelli per la simulazione CFD di impatto a parete di spray di combustibili

Il seguente lavoro �� uno studio di iniezione (strategia, timing, spray pattern) svolto con la simulazione numerica, alle quali oggi si richiede dettaglio e accuratezza. Il lavoro si concentra sullo studio di spray multi componente, tramite la scrittura di una UDF (user define function) proprietaria, valutazione sensibilit�� dell'impatto a parete, film boiling a parametri modellistici influenzati dal multicomponente e scrittura di un codice per l'elaborazione delle immagini sia sperimentali che numeriche per rendere pi�� esteso il confronto tra CFD e sperimentale, per migliorare le tarature e i modelli e comprendere meglio la fenomenologia.

Modellazione numerica del sistema di distribuzione idrica di Cesena

Nel presente elaborato di tesi si esporranno le fasi di costruzione ed i risultati del modello idraulico del sistema di distribuzione idrica della citt�� di Cesena, comprendente tutta l���area cittadina e la zona di pianura a nord-ovest adiacente. Il caso di studio �� stato reso disponibile dal gestore del Servizio idrico integrato nel territorio Hera S.p.A. Il modello numerico �� stato implementato utilizzando il programma Infoworks�� WS di HR Wallingford per la progettazione e gestione delle reti idriche. La realizzazione di un modello idraulico richiede la conoscenza topologica della rete e del suo funzionamento, nonch�� informazioni sul consumo idrico, fondamentali per la determinazione della domanda idrica. Essa comprende il consumo idropotabile delle utenze e la perdita idrica. Per le elaborazioni sono stati utilizzati i programmi open source QGis e RStudio. La variabilit�� del consumo �� stata rappresentata attraverso una curva costruita sulla base del bilancio idrico della rete, mentre quella della perdita attraverso un pattern basato sul metodo del Minimum Night Flow. Compiuta la prima simulazione su un periodo di 7 giorni e ottenuti i primi risultati, si sono rese necessarie delle operazioni di calibrazione eseguite confrontando i dati risultanti dal modello con quelli misurati sul campo. Uno dei vantaggi di un modello numerico �� quello di poter indagare le grandezze idrauliche in ogni punto della rete. �� stato, infatti, possibile creare vere e proprie mappe tematiche che illustrano la variazione delle grandezze di interesse al variare dello spazio e del tempo. Un altro vantaggio �� quello di poter prevedere il comportamento della rete in seguito a delle modifiche. Si �� potuto, infatti, applicare lo strumento modellistico ad un���ipotesi di distrettualizzazione del sistema.

Analisi dei parametri fluidodinamici calcolati tramite simulazione dell'occlusione dell'auricola sinistra e della dislocazione del dispositivo in condizioni di fibrillazione atriale.

La fibrillazione atriale (FA) �� la forma di aritmia cardiaca pi�� diffusa nella pratica clinica. Attualmente, sono pi�� di 30 milioni le persone affette da FA e si prevede una forte crescita di tale numero, conseguentemente al progressivo invecchiamento della popolazione. Ad oggi, la terapia anticoagulante orale �� la principale strategia impiegata per la prevenzione di ictus ischemico. Nonostante l���efficacia degli anticoagulanti, un numero rilevante di pazienti non possono assumerli, a causa di un aumentato rischio emorragico e della pericolosa interazione con altri farmaci. �� stato dimostrato che nel 90% dei casi la formazione dei trombi intracardiaci in pazienti con FA avviene in un punto ben preciso dell���atrio sinistro, ossia nell���auricola. Ci�� �� dovuto al fatto che essa, avendo una particolare morfologia, in condizioni non fisiologiche (emodinamica rallentata), tende a favorire la stasi del sangue al suo interno. Di conseguenza, la chiusura meccanica dell���auricola �� emersa come alternativa clinica alla prevenzione farmacologica. I risultati relativi a recenti trials hanno suggerito che la chiusura percutanea della LAA attraverso l���impianto di opportuni occlusori �� una terapia sicura, con un���efficacia non inferiore alla terapia di anticoagulanti orali nella prevenzione dell���ictus. L���obiettivo di questo elaborato di tesi �� valutare in simulazione l���effetto dell���occlusione dell���auricola sinistra e di un eventuale dislocazione del dispositivo sulla fluidodinamica atriale in pazienti affetti da FA. Sono stati realizzati modelli 3D che simulano sia il risultato della procedura di LAAO con i dispositivi Amulet e Watchman, sia l���effetto della dislocazione dell���occlusore. Successivamente, sono state effettuate le simulazioni fluidodinamiche CFD sui modelli di atrio intero, sui modelli occlusi (privi di auricola) e sui modelli parzialmente occlusi (dislocazione Amulet) per studiare e valutare i parametri fluidodinamici (velocit��, vorticit�� e stasi).

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L���attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l���implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l���efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un���ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l���ottimizzazione con l���algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l���ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

Classificazione di Radiografie Toraciche per la Diagnosi del COVID-19 con Reti Convoluzionali e Vision Transformer

Negli ultimi due anni, per via della pandemia generata dal virus Covid19, la vita in ogni angolo del nostro pianeta �� drasticamente cambiata. Ad oggi, nel mondo, sono oltre duecentoventi milioni le persone che hanno contratto questo virus e sono quasi cinque milioni le persone decedute. In alcuni periodi si �� arrivati ad avere anche un milione di nuovi contagiati al giorno e mediamente, negli ultimi sei mesi, questo dato �� stato di pi�� di mezzo milione al giorno. Gli ospedali, soprattutto nei paesi meno sviluppati, hanno subito un grande stress e molte volte hanno avuto una carenza di risorse per fronteggiare questa grave pandemia. Per questo motivo ogni ricerca in questo campo diventa estremamente importante, soprattutto quelle che, con l'ausilio dell'intelligenza artificiale, riescono a dare supporto ai medici. Queste tecnologie una volta sviluppate e approvate possono essere diffuse a costi molto bassi e accessibili a tutti. In questo elaborato sono stati sperimentati e valutati due diversi approcci alla diagnosi del Covid-19 a partire dalle radiografie toraciche dei pazienti: il primo metodo si basa sul transfer learning di una rete convoluzionale inizialmente pensata per la classificazione di immagini. Il secondo approccio utilizza i Vision Transformer (ViT), un'architettura ampiamente diffusa nel campo del Natural Language Processing adattata ai task di Visione Artificiale. La prima soluzione ha ottenuto un���accuratezza di 0.85 mentre la seconda di 0.92, questi risultati, soprattutto il secondo, sono molto incoraggianti soprattutto vista la minima quantit�� di dati di training necessaria.

Sviluppo di un modello stocastico per la simulazione di sperimentazioni cliniche di nuovi trattamenti per l���osteoporosi

Le fratture fragili del collo del femore rappresentano un grave problema sociosanitario, in via di aggravamento a causa dell���aumento dell���et�� media e dell���aspettativa di vita. Il verificarsi di tale evento dipende da pi�� fattori: la frequenza con la quale si verificano cadute, la gravit�� delle stesse e lo stato di salute del paziente, in particolare la resistenza meccanica delle sue ossa e il suo grado di controllo neuro-motorio. Negli ultimi anni gli strumenti di analisi e stima della resistenza meccanica del femore basati su modelli agli elementi finiti hanno raggiunto un tale livello di maturit�� da prospettarne l���utilizzo nel contesto di ���in silico trials���, ovvero la simulazione virtuale di sperimentazioni cliniche e precliniche. In questo studio si �� sviluppato un modello stocastico in grado di simulare la sperimentazione clinica di nuovi trattamenti per l���osteoporosi. Questo comprende pi�� sotto modelli in grado di simulare il processo di invecchiamento, determinare stocasticamente le cadute che si verificano in una certa popolazione in un determinato orizzonte temporale e l���entit�� delle forze che agiscono sul grande trocantere. In particolare, le cadute sono state generate a partire da una distribuzione di Poisson e le forze sono state stimate attraverso un modello stocastico multiscala. La tesi si �� concentrata su aspetti metodologici e procedurali, nell���ottica di sviluppare un modello che permettesse agevolmente la variazione dei parametri associati alla caduta, dotato di buone robustezza ed applicabilit��. �� stato verificato come la discretizzazione nel dominio del tempo del rimodellamento osseo non influisca significativamente nella determinazione delle fratture; inoltre, il modello si �� dimostrato capace di fornire risultati stabili in modo computazionalmente efficiente. La validazione dei risultati del modello, invece, ha dato risultati non soddisfacenti, per cui sar�� necessario procedere in futuro a un���attenta calibrazione dei parametri del modello.

Reti neurali "physics-informed" per modelli epidemiologici

La malattia COVID-19 associata alla sindrome respiratoria acuta grave da coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ha rappresentato una grave minaccia per la salute pubblica e l���economia globale sin dalla sua scoperta in Cina, nel dicembre del 2019. Gli studiosi hanno effettuato numerosi studi ed in particolar modo l���applicazione di modelli epidemiologici costruiti a partire dai dati raccolti, ha permesso la previsione di diversi scenari sullo sviluppo della malattia, nel breve-medio termine. Gli obiettivi di questa tesi ruotano attorno a tre aspetti: i dati disponibili sulla malattia COVID-19, i modelli matematici compartimentali, con particolare riguardo al modello SEIJDHR che include le vaccinazioni, e l���utilizzo di reti neurali ���physics-informed��� (PINNs), un nuovo approccio basato sul deep learning che mette insieme i primi due aspetti. I tre aspetti sono stati dapprima approfonditi singolarmente nei primi tre capitoli di questo lavoro e si sono poi applicate le PINNs al modello SEIJDHR. Infine, nel quarto capitolo vengono riportati frammenti rilevanti dei codici Python utilizzati e i risultati numerici ottenuti. In particolare vengono mostrati i grafici sulle previsioni nel breve-medio termine, ottenuti dando in input dati sul numero di positivi, ospedalizzati e deceduti giornalieri prima riguardanti la citt�� di New York e poi l���Italia. Inoltre, nell���indagine della parte predittiva riguardante i dati italiani, si �� individuato un punto critico legato alla funzione che modella la percentuale di ricoveri; sono stati quindi eseguiti numerosi esperimenti per il controllo di tali previsioni.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell���ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si �� diffuso l���utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) �� il settore dell���ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) �� quello pi�� diffuso nella comunit�� antincendio e utilizzato all���interno della presente analisi. L���elaborato introduce le basi dell���ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d���incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L���analisi tratta il confronto tra delle prove d���incendio in scala reale effettuate all���interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l���effettiva evoluzione dell���incendio. Nell���analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un���analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.