Aspetti fondamentali per l'analisi cinetica di reazioni fotocatalitiche.

La conoscenza e la determinazione dell’equazione cinetica è indispensabile per lo studio, la progettazione e l’ottimizzazione di qualsiasi reattore chimico. Normalmente l’analisi cinetica viene eseguita con reattori che operano in maniera quanto più prossima a condizioni ideali in modo da rendere più facile e meno affetta da errori l’interpretazione dei risultati sperimentali. In fotocatalisi è invece di fatto impossibile realizzare, anche in presenza di una perfetta miscelazione, un sistema ideale in cui si abbia un’uniforme distribuzione di tutti i parametri che influenzano la velocità di reazione. Infatti in un reattore fotocatalitico il campo di radiazione è intrinsecamente non uniforme poiché l’assorbimento della radiazione e quindi la sua attenuazione sono necessari per l’attivazione della reazione. Pertanto l’impossibilità di realizzare un sistema fotocatalitico che operi in condizioni quanto più possibile prossime all’idealità e l’incapacità di misurare sperimentalmente i valori locali di velocità di reazione e di velocità di assorbimento dei fotoni possono rendere complessa una corretta analisi cinetica. In questo lavoro vengono studiate le modalità con cui condurre comunque una rigorosa analisi cinetica di un sistema fotocatalitico slurry, nel quale il fotocalizzatore è disperso come polvere fine in sospensione nella soluzione reagente. La reazione studiata è quella di mineralizzazione dell’acido formico. Sono stati impiegati due reattori con geometrie ed illuminazioni differenti: un reattore piano illuminato con luci LED ed un reattore anulare con lampada lineare fluorescente blacklight. È stata verificata la validità di una particolare equazione cinetica, che tiene conto dell’effetto non lineare della velocità specifica (cioè per unità di massa di catalizzatore) di assorbimento dei fotoni e delle concentrazioni del reagente, dell’ossigeno e del fotocatalizzatore. Sono state inoltre determinate le condizioni critiche che possono portare ad errori nell’analisi cinetica ed è stata dimostrata l’utilità di un modello matematico che tiene conto dei bilanci di energia raggiante, di materia nonché del campo di moto. Il modello matematico, in cui compare un solo parametro aggiustabile (il tempo caratteristico di reazione od equivalentemente la costante cinetica), è in grado di riprodurre molto soddisfacentemente i risultati sperimentali in tutte le diverse condizioni operative: diversa geometria di reattore, diversa illuminazione, differente spessore ottico, diverse contrazioni di substrato e di fotocatalizzatore. Infine è stato mostrato come l’equazione cinetica ad una sola costante cinetica, che è stata adottata, descriva meglio la cinetica della reazione fotocatalitica in esame di altre equazioni a due o più costanti cinetiche spesso utilizzate in fotocatalisi e basate sulla teoria di Langmuir-Hinshelwood, a dimostrazione di un diverso meccanismo di reazione.

Validazione di un modello real-time di un turboalbero aeronautico

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare e validare un modello del propulsore Allison 250 c18 realizzato in Simulink. In particolare utilizzando i dati provenienti da prove sperimentali effettuate al banco prova del laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Archittetura vengono dapprima create le mappe prestazionali dei singoli componenti. Esse sono poi implementate all'interno del modello in Simulink, realizzato con struttura modulare a blocchi permettendo il modellamento di ogni singolo componente del motore. Successivamente i dati provenienti dalle simulazioni sono confrontati con i dati sperimentali, riscontrando risultati soddisfacenti. In ultimo si riporta brevemente una descrizione della compilazione del modello da utilizzare in una interfaccia LabVIEW per verificarne il funzionamento del modello in real-time.

Realizzazione e convalida del modello Monte Carlo di un calibratore di attività per radiofarmaci

I calibratori di attività sono strumenti molto importanti per la pratica, diagnostica e terapeutica, in medicina nucleare, perché permettono di associare ad un radiofarmaco una misura accurata dell’attività dell’isotopo in esso contenuto; questo è fondamentale in quanto l’attività della sorgente esprime la quantità di farmaco somministrata al paziente. In questo lavoro è stato sviluppato il modello Monte Carlo di un calibratore di attività ampiamente diffuso nei laboratori di radiofarmacia (Capintec CRC-15), utilizzando il codice Monte Carlo FLUKA. Per realizzare il modello si è posta estrema attenzione nel riprodurre al meglio tutti i dettagli delle componenti geometriche della camera e dei campioni delle sorgenti radioattive utilizzati. A tale scopo, la camera di ionizzazione di un calibratore è stata studiata mediante imaging TAC. Un’analisi preliminare è stata eseguita valutando il confronto tra l’andamento sperimentale dell’efficienza della camera in funzione dell’energia dei fotoni incidenti e quello ottenuto in simulazione. In seguito si è proceduto con la validazione: si sono studiati a questo proposito la risposta del calibratore in funzione dell’altezza della sorgente e i confronti tra i fattori relativi (rispetto ad una sorgente certificata di 137Cs) e le misure di confronto sono state eseguite con diverse sorgenti certificate di 133Ba, 68Ge-68Ga, 177Lu ed uno standard tarato internamente di 99mTc. In tale modo, si è ricoperto l'intero campo di interesse dei principali radionuclidi impiegati nelle applicazioni diagnostiche e terapeutiche di Medicina Nucleare. Il modello sviluppato rappresenta un importante risultato per l’eventuale determinazione di nuovi fattori di calibrazione o per un futuro studio relativo all’ottimizzazione della risposta del calibratore.

Sviluppo dell'interfaccia per il caricamento della geometria iniziale del propellente solido di un modello balistico

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione balistica di razzi a propellente solido, è volto alla creazione di un’interfaccia che permetta il caricamento delle geometrie dei motori desiderati, in formato SPP, nel codice di simulazione balistica ROBOOST come richiesto da Avio Spa. In particolare saranno descritte le procedure attraverso le quali tale interfaccia è stata realizzata e verranno analizzati i passaggi mediante i quali è possibile ottenere una mesh 3D del motore a propellente solido partendo dalla sua geometria in formato SPP. Si analizzerà inoltre il processo di chiusura di una mesh estratta da una qualsiasi iterazione della simulazione al fine di potervi effettuare delle simulazioni CFD sempre su richiesta della sopracitata azienda. Infine verranno mostrati e discussi i risultati ottenuti per meglio visualizzare il lavoro svolto.

Pressure Swing Adsorption on Carbon Molecular Sieves for Nitrogen Production: Modelling and Simulation with Aspen Adsorption

L’azoto è uno dei prodotti principali dell’industria chimica, utilizzato principalmente per assicurare un sicuro stoccaggio di composti infiammabili. Generatori con sistemi PSA sono spesso più economici della tradizionale distillazione criogenica. I processi PSA utilizzano una colonna a letto fisso, riempita con materiale adsorbente, che adsorbe selettivamente un componente da una miscela gassosa. L’ossigeno diffonde molto più velocemente dell'azoto nei pori di setacci molecolari carboniosi. Oltre ad un ottimo materiale adsorbente, anche il design è fondamentale per la performance di un processo PSA. La fase di adsorbimento è seguita da una fase di desorbimento. Il materiale adsorbente può essere quindi riutilizzato nel ciclo seguente. L’assenza di un simulatore di processo ha reso necessario l’uso di dati sperimentali per sviluppare nuovi processi. Un tale approccio è molto costoso e lungo. Una modellazione e simulazione matematica, che consideri tutti i fenomeni di trasporto, è richiesta per una migliore comprensione dell'adsorbente sia per l'ottimizzazione del processo. La dinamica della colonna richiede la soluzione di insiemi di PDE distribuite nel tempo e nello spazio. Questo lavoro è stato svolto presso l'Università di Scienze Applicate - Münster, Germania. Argomento di questa tesi è la modellazione e simulazione di un impianto PSA per la produzione di azoto con il simulatore di processo Aspen Adsorption con l’obiettivo di permettere in futuro ottimizzazioni di processo affidabili, attendibili ed economiche basate su computazioni numeriche. E' discussa l’ottimizzazione di parametri, dati cinetici, termodinamici e di equilibrio. Il modello è affidabile, rigoroso e risponde adeguatamente a diverse condizioni al contorno. Tuttavia non è ancora pienamente soddisfacente poiché manca una rappresentazione adeguata della cinetica ovvero dei fenomeni di trasporto di materia. La messa a punto del software permetterà in futuro di indagare velocemente nuove possibilità di operazione.

Modello di Guyton per la circolazione completa

Questo lavoro di tesi nasce con l'obbiettivo di studiare il modello di Guyton, proponendone una versione più dettagliata con lo scopo di utilizzarla poi come strumento di indagine per una patologia nota come atresia tricuspidale. Si è giunti così alla creazione di un modello ibrido del sistema cardiovascolare che vede la modellizzazione, a parametri concentrati, dell’intera rete circolatoria interfacciata con una rappresentazione dell' attività cardiaca mediante le cosidette curve di funzionalità. Nello specifico si è risaliti ad un modello della cicolazione cardiocircolatoria separando quella che è la circolazione sistemica dalla circolazione polmonare secondo il sopracitato modello di Guyton, dopo di chè si è trovato un analogo modello per pazienti sottoposti all' intervento di Fontan poiché affetti da atresia tricuspidale.Tramite l'ausilio del software Matlab sono stati implementati questi due modelli semplificati (“Guyton biventricolare” e “Guyton monoventricolare”) e il corrispondente algoritmo risolutivo, con l'obiettivo di verificare, graficamente e numericamente, i risultati ottenuti dalla simulazione.Una volta accertatisi della attendibilità dei risultati, mediante il confronto con dati fisiologici dai manuali e dagli articoli su cui si è fondato questo elaborato, si è proceduto alla simulazione di casi fisiologici di attività fisica e di malfunzionamento del ventricolo sinistro.L'utilizzo di un modello matematico per la circolazione permette di studiare e simulare l'interazione di diversi sistemi fisiologici superando il problema che si ha in ambito clinico, dove l'analisi è più complessa perchè la misurazione delle numerose variabili fisiologiche è indaginosa e a volte non fattibile.Fine ultimo dell'elaborato tuttavia non è quello di dare valutazioni cliniche dei casi presi in esame e delle loro variabili, ma quello di presentare un metodo per studiare come la fisiologia della circolazione umana reagisce a dei cambiamenti.

Simulazione della Risposta Cardiovascolare alla Contropulsazione Esterna

Sviluppo di un modello per la simulazione della Risposta Cardiovascolare alla Contropulsazione Esterna.

Simulazione di fluidi in Computer Graphics

Questa tesi si focalizza sullo studio dei modelli fisico-matematici attualmente in uso per la simulazione di fluidi al calcolatore con l’obiettivo di fornire nozioni di base e avanzate sull’utilizzo di tali metodi. La trattazione ha lo scopo di facilitare la comprensione dei principi su cui si fonda la simulazione di fluidi e rappresenta una base per la creazione di un proprio simulatore. E’ possibile studiare le caratteristiche di un fluido in movimento mediante due approcci diversi, l’approccio lagrangiano e l’approccio euleriano. Mentre l’approccio lagrangiano ha lo scopo di conoscere il valore, nel tempo, di una qualsiasi proprietà di ciascuna particella che compone il fluido, l’approccio euleriano, fissato uno o più punti del volume di spazio occupato da quest’ultimo, vuole studiare quello che accade, nel tempo, in quei punti. In particolare, questa tesi approfondisce lo studio delle equazioni di Navier-Stokes, approcciandosi al problema in maniera euleriana. La soluzione numerica del sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali derivante dalle equazioni sopracitate, approssima la velocità del fluido, a partire dalla quale è possibile risalire a tutte le grandezze che lo caratterizzano. Attenzione viene riservata anche ad un modello facente parte dell’approccio semi-lagrangiano, il Lattice Boltzmann, considerato una via di mezzo tra i metodi puramente euleriani e quelli lagrangiani, che si basa sulla soluzione dell’equazione di Boltzmann mediante modelli di collisione di particelle. Infine, analogamente al metodo di Lattice Boltzmann, viene trattato il metodo Smoothed Particles Hydrodynamics, tipicamente lagrangiano, secondo il quale solo le proprietà delle particelle comprese dentro il raggio di una funzione kernel, centrata nella particella di interesse, influenzano il valore della particella stessa. Un resoconto pratico della teoria trattata viene dato mediante delle simulazioni realizzate tramite il software Blender 2.76b.

Self-management di malattie croniche in sistemi di mobile Health: sviluppo di un modello agent-based per casi di diabete

L'obiettivo della tesi è proporre e motivare l'adozione di un modello computazionale Agent-Based nell'ambito del Self-Management di malattie croniche in un sistema di mobile Health. Viene quindi affrontata in maniera approfondita la tematica del mobile Health, settore in grande espansione che vede l'introduzione massiccia dei dispositivi mobili (smartphone, tablet, PDA) in ambito sanitario, e quella del Self-Managment di malattie croniche, un processo di cura caratterizzato dalla partecipazione autonoma del paziente stesso, fornendo una panoramica dei vari approcci computazionali sviluppati. Successivamente vengono presentate le peculiarità dei modelli computazionali risultati dalle ricerche in letteratura strumenti innovati nell'ambito. Nel caso di studio viene adottata la tecnica di modellazione Agent-Based per sviluppare un modello a supporto di malati cronici affetti da diabete mellito di tipo 1. Con la successiva implementazione sulla piattaforma di simulazione MASON, vengono eseguiti diversi esperimenti per dimostrare la fattibilità dell’approccio adottato nell'ambito del Self-Management di malattie croniche.

Simulazione agent-based di un sistema di m-Health per il self-management del diabete di tipo 1

L'obiettivo della tesi è dimostrare l'utilità e i vantaggi che può fornire il Self-Management del diabete mellito di tipo 1 in un sistema di mobile Health a partire da un modello computazionale Agent-Based. Viene quindi affrontata in maniera approfondita la tematica del mobile Health ed il suo sviluppo nei paesi a basso/medio reddito, illustrando i risultati ottenuti dalla ricerca scientifica fino ad oggi, ed il concetto di Self-Management di malattie croniche, un processo di cura caratterizzato dalla partecipazione autonoma del paziente stesso, fornendo una panoramica degli approcci computazionali sviluppati. Viene quindi studiato il diabete mellito in ogni sua caratteristica, seguito dall'illustrazione di diverse applicazioni per la gestione autonoma della suddetta patologia tutt'ora in commercio. Nel caso di studio vengono effettuate diverse simulazioni, tramite la piattaforma di simulazione MASON, per realizzare varie dinamiche della rete fisiologica di un paziente al fine di stabilire feedback qualitativi per il Self-Management della patologia.

Simulazione della gestione dei materiali dell'azienda Robopac

L’elaborato verte sulla simulazione della gestione dei materiali dell’azienda Robopac. Il modello esposto è stato creato tramite il software Arena, il quale permette la riproduzione di una struttura aziendale reale ed è, per questo, uno strumento validissimo per esaminare situazioni critiche, nonché per confrontare alternative progettuali e validarle. Nello specifico, in tale tesi ci si propone di verificare, attraverso un’attenta analisi, come l’azienda Robopac gestisca i materiali nel suo percorso di elaborazione e trasformazione. Per gestione dei materiali si intende il coordinamento degli arrivi, il controllo sulle materie, il trasporto di tali materiali nei magazzini appositi e il successivo spostamento in linea. Questa indagine permetterà di valutare l’efficienza e l’utilizzo delle risorse, le tempistiche delle movimentazioni e l’eventuale creazione di code, così da cercare soluzioni che potrebbero migliorare e ottimizzare le operazioni. Il modello creato con Arena considera i sei codici-prodotto più rappresentativi e rende possibile una riproduzione conforme a ciò che è stato osservato. Inoltre sono analizzati i report forniti automaticamente da tale software e valutati l’utilizzo delle risorse e le giacenze a magazzino. Sarebbe interessante ampliare la simulazione esposta, prendendo in considerazione l’intero numero di codici prodotti, così da poter analizzare la totale gestione dei materiali e considerare eventuali differenze o scostamenti rispetto a quanto svolto in questa tesi. Un ulteriore ampliamento altrettanto valido potrebbe essere quello di coniugare la simulazione della gestione dei materiali con il modello della linea produttiva principale già realizzato con Arena. Ciò permetterebbe una più completa visione dell’azienda e l’indagine della realtà imprenditoriale diventerebbe più ampia, approfondita e dettagliata.

Sviluppo e validazione sperimentale di modelli per la simulazione di una microrete di generazione e di accumulo

Nel corso degli anni le fonti rinnovabili e in particolare il fotovoltaico hanno assunto un ruolo sempre più importante nel panorama energetico italiano. Si è effettuata un’analisi della tecnologia fotovoltaica illustrandone il funzionamento, le tipologie di pannelli, il calcolo dell’energia elettrica producibile e le curve caratteristiche. Dal momento che la maggior parte delle rinnovabili presenta il problema della non programmabilità dovuta alla produzione intermittente, è necessario adottare dei sistemi di accumulo. Tali sistemi vengono mostrati, con particolare riguardo per le batterie al piombo acido e per l’idrogeno immagazzinato in idruri metallici, spiegando nel dettaglio l’elettrolisi e gli elettrolizzatori PEM. Dopo questa panoramica iniziale, si è illustrato l’impianto oggetto di questa tesi, composto principalmente da due pannelli fotovoltaici, un simulatore solare, due batterie al Piombo, un elettrolizzatore, un carico e un alimentatore. In seguito viene spiegata l’attività sperimentale, svolta sulle prove di laboratorio ai fini di ottenere le curve di funzionamento dei vari componenti, tramite due approcci diversi: per il sistema atto all’elettrolisi e per tutti i suoi componenti si è usato un modello black-box, per i pannelli fotovoltaici si è usato un approccio fisico-matematico partendo dalle equazioni del simulatore solare applicandovi i dati dei pannelli del laboratorio. Una volta ottenute queste curve, si è creato un modello completo del laboratorio per simularne il funzionamento al variare dell’irraggiamento. Si è testato prima il modello su un’utenza da 3 kW, poi, dopo aver confrontato gli andamenti reali con quelli ottenuti, si sono simulate varie configurazioni per trovare quella che permette al sistema di produrre idrogeno alla potenza nominale di 250 W in una giornata senza supplemento della rete elettrica.

Modello matematico per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna

In questo lavoro di tesi si è realizzato un modello matematico con l’intento di fornire uno strumento per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna. L’ EECP (Enhanced External Counterpulsation) è un metodo non invasivo di assistenza cardiaca basato sull’applicazione di pressioni sincronizzate col ritmo cardiaco su determinate superfici corporee. I benefici della terapia su pazienti con sofferenze cardiache sono confermati dalle tabelle cliniche; rimane tuttavia non chiaro il legame diretto tra questi e la EECP. La base del lavoro è un modello della circolazione sanguigna adattato allo studio della situazione in esame e riprodotto mediante il software di calcolo Matlab. Il modello proposto e la relativa simulazione numerica permettono la visualizzazione istantanea delle modifiche che l’azione di contropulsazione apporta al flusso e alla pressione sanguigna, al fine di offrire un aiuto nella ricerca di un legame diretto tra la EECP e i benefici che questa terapia ha sul paziente.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.

Simulazione della risposta dei radiometri satellitari nelle microonde AMSU-B e MHS per il retrieval della precipitazione nevosa e studio di sensibilità dell’algoritmo 183-WSL

Il lavoro di questa tesi è focalizzato sulla valutazione della sensibilità delle microonde rispetto a differenti idrometeore per le frequenze a 89 GHz e 150 GHz e nella banda di assorbimento del vapor d'acqua a 183.31 GHz. Il metodo di indagine consiste nell'utilizzo del modello di trasferimento radiativo RTTOV (Eyre, 1991) per simulare radianze dei canali dei sensori satellitari nelle microonde Advanced Microwave Sounding Unit-B (AMSU-B) e Microwave Humidity Sounder (MHS). Le simulazioni basate sul modello RTTOV si sono focalizzate su tre dataset indipendenti, forniti da ECMWF. Il primo passo tiene conto di una selezione di categorie dei profili atmosferici basato su una distinzione della fase delle idrometeore, LWP, IWP e WVP, con sottoclassi terra e oceano. La distinzione in diverse categorie permette di valutare la sensibilità di ciascuna frequenza utilizzata nelle simulazioni al variare del contenuto di acqua e ghiaccio. Un secondo approccio è usato per valutare la risposta di ciascuna frequenza nei casi di nevicate sulla terraferma. Questa indagine ha permesso lo sviluppo di un nuovo algoritmo prototipale per la stima dell'intensità di precipitazione nevosa basato su una serie di test a soglia e una equazione di combinazione lineare multipla che sfrutta una combinazione dei canali più sensibili alla snowfall: 150, 186 e 190 GHz. Una prima verifica su casi di studio pre-selezionati di snowstorm sembra fornire risultati promettenti. Infine è stato realizzato uno studio di sensibilità dell’algoritmo 183-WSL (Laviola and Levizzani, 2011) utilizzando le simulazioni di RTTOV con precipitazione/non precipitazione come predittori discreti e con le intensità di precipitazione come predittori continui. Le simulazioni RTTOV rivelano una sovrastima delle radianze in presenza di profili di pioggia e ciò potrebbe essere dovuto alle approssimazioni e parametrizzazioni adottate nel modello RTTOV-SCATT usato per la risoluzione dello scattering in presenza di precipitazione.