L'equazione del mezzo poroso: proprieta matematiche e applicazioni fisiche

In questa tesi viene presentata una breve trattazione matematica dell' equazione del mezzo poroso. Questa è uno dei più semplici esempi di PDE parabolica non lineare e degenere, che appare nella descrizione di molti fenomeni naturali, legati alla diffusione, filtrazione e propagazione del calore. I risultati sono confrontati con quelli ben noti del modello parabolico classico. Una particolare attenzione è rivolta alla proprietà matematica di propagazione finita che contrasta con il paradosso della velocità infinita, tipico del modello parabolico lineare.

Studio di fattibilità di un dispositivo medico di emergenza per l'ipotermia cerebrale in pazienti traumatizzati

Le lesioni cerebrali possono generare danni permanenti e richiedono trattamenti immediati e a lungo termine. L’ipotermia cerebrale di 1 o 2°C inibisce il rilascio di aminoacidi neuro eccitatori e interrompe la risposta infiammatoria. L'effetto è maggiore se il raffreddamento viene eseguito immediatamente dopo il trauma. Oggi il raffreddamento viene effettuato in ospedale, raramente sul luogo dell’incidente (con ghiaccio). Tale soluzione è ostacolata dall’applicazione dei collari cervicali ed è condizionata dagli effetti a breve termine del ghiaccio. In questo studio è stata effettuata un’analisi di fattibilità di un dispositivo che, alle tecnologie per l’immobilizzazione cervicale, associ l'induzione terapeutica controllata e prolungata di una lieve ipotermia cerebrale (2-3°C), tramite raffreddamento transcutaneo del sangue nelle arterie carotidee. Il lavoro è suddiviso in due fasi: 1) modellizzazione teorica del fenomeno in esame; 2) verifica dei modelli teorici mediante test in vitro. Mediante i modelli numerici, sono state calcolate le temperature e i tempi per produrre un raffreddamento di 3°C. Considerando lo scambio di calore attraverso il collo, i vasi sanguigni e i tessuti cerebrali è stato calcolato un tempo minimo di circa 50 minuti per produrre il ΔT richiesto, con l’applicazione all’esterno del collo di un dispositivo che mantenga la temperatura a 5°C. Per la verifica è stata utilizzata una carotide sintetica ed una in tessuto biologico: queste sono state immerse in un contenitore isolato contenente acqua e connesse ad un simulatore dell’apparato circolatorio. Mantenendo costante la temperatura dell’acqua circolante mediante un termostato, sono stati misurati gli abbassamenti di temperatura nel vaso in funzione di quella esterna applicata. Il raffreddamento dei tessuti è stato realizzato con una cella di Peltier. La verifica dei modelli ha evidenziato un ΔT di -2°C. Il valore è inferiore a quello ipotizzato ma può ritenersi già efficace in ambito clinico e può essere migliorato ottimizzando il sistema di raffreddamento.

Dinamica delle galassie a spirale e delle galassie ellittiche

La tesi si propone di dare una caratterizzazione generale sulla dinamica delle galassie, in particolare, il caso ellittico e a spirale. Nel primo capitolo, sono state esposte le scale delle grandezze fisiche che caratterizzano e definiscono una galassia e gli aspetti osservativi che hanno portato a distinguerne poche grossolane categorie in base a proprietà visive, mostrando importanti correlazioni con proprietà morfologiche e strutturali. Nel secondo capitolo, corpo principale dell'elaborato, vengono motivate le principali ipotesi che permettono di trattare una generica galassia, assunta composta da un numero N di stelle come un non collisionale, portando vantaggi di semplificazione del problema: si parte dall'ipotesi di approssimazione delle stelle come punti materiali, fino a trascurare la granularità del sistema, entro un tempo scala detto tempo di rilassamento. Segue una trattazione di estrapolazione di informazioni dalle equazioni che descrivono il moto e una breve esposizione della principale distinzione tra un fluido ordinario e un fluido non collisionale, derivante dalla stessa ipotesi di sistema non collisionale. Il terzo capitolo si propone di dare alcune applicazioni, alle galassie ellittiche e spirali, dei risultati teorici trattati nel capitolo precedente, con brevi riscontri nell'ambito osservativo. Nel caso delle galassie a spirale si accenna alla principale motivazione che ha portato all'ipotesi dell'esistenza della materia oscura e vengono illustrati qualitativamente, i modelli più semplici di descrizione della dinamica dei bracci.

Modelli termici per componenti elettronici di potenza

L'elaborato illustra una serie di modelli termici, che si differenziano principalmente per la loro accuratezza e velocità di calcolo, per essere in grado di scegliere il modello più adatto da utilizzare in relazione all'applicazione prevista e alle esigenze richieste. Per una migliore comprensione del problema, vengono introdotti inizialmente alcuni concetti generali legati alle temperature in gioco nei componenti elettronici di potenza e alla trasmissione del calore, poi si passa alla determinazione della sorgente del calore (ovvero le perdite) in un modulo IGBT. Vengono quindi descritti alcuni modelli che siano in grado di rappresentare il sistema in esame dal punto di vista termico. Infine viene implementato in Simulink uno dei modelli proposti, mettendo così in pratica gran parte dei concetti esposti. Per il calcolo delle perdite, per i modelli e per la simulazione ci si è concentrati su un determinato componente elettronico di potenza per entrare nel cuore di un problema termico. È stato scelto l’IGBT perché è un dispositivo relativamente nuovo, in continuo miglioramento ed è sempre più utilizzato.

Semigruppi generati da operatori lineari multivoci ed applicazioni a problemi di evoluzione degeneri

Studio del problema evolutivo degenere in uno spazio di Banach, con condizioni di tipo parabolico, attraverso la generalizzazione della teoria dei semigruppi al caso di operatori multivoci. Il problema viene dunque ridotto a un'equazione multivoca. Si riporta inoltre come esempio l'equazione del calore di Poisson.

Progetto concettuale, ottimizzazione e modellazione CAD di motore Stirling per applicazioni aerospaziali

Nei decenni passati sono stati svolti numerosi studi su sistemi di generazione di potenza elettrica da applicare al settore spaziale, in particolar modo a satelliti e sonde. Ne sono un esempio le analisi riportate dalla Nasa oppure quelle condotte in paesi come il Giappone dall’agenzia spaziale JAXA. Uno dei sistemi spesso utilizzati per generare potenza elettrica si basa sull’applicazione di motori Stirling accoppiati ad un generatore lineare; la differenza di temperatura necessaria per il funzionamento del motore è ottenuta tramite il calore fornito dai radioisotopi di plutonio 238, mentre il raffreddamento del motore avviene mediante scambio termico con l’ambiente esterno.

Analisi, modellizzazione e calibrazione di un dispositivo, impiantabile su catetere, per la misura di flusso all'interno di vasi sanguigni.

Progetto SCATh allo ZHAW. Il dipartimento di meccatronica (IMS) dell'Università di scienze applicate di Winterthur (ZHAW), ha partecipato attivamente al progetto SCATh concentrandosi principalmente sullo sviluppo, il condizionamento, e la modellizzazione di un sensore di flusso che fosse facilmente applicabile e di piccole dimensioni in modo da poter essere applicato su catetere e permettere la misura diretta della grandezza fisica sopracitata. All'interno della struttura universitaria è stato possibile inizialmente analizzare il fenomeno che sta alla base del sensore, utilizzando conoscenze già presenti in dispositivi quali l'anemometria a filo caldo, che sfruttano lo scambio di calore tra sensore (riscaldato) e fluido sanguigno. La realizzazione del circuito di condizionamento è stato il passo successivo, necessario sia per mantenere il sensore ad una temperatura voluta e sia per leggere i dati di flusso mediante una tensione in uscita. Una volta effettuato ciò si è proceduto alla calibrazione del sensore (relazione tra flusso e tensione) ed infine alla trasposizione del circuito su LTspice. Nell' Introduzione (Capitolo 1) verranno presentati tutti i concetti preliminari, ossia i principi fisici, necessari a comprendere il funzionamento del sensore. Dunque dopo una breve definizione di flusso (riferito a liquidi) saranno presentati i principi di trasmissione del calore con particolare attenzione riservata alla convezione. Infine, parte dello stesso capitolo sarà dedicata ad una descrizione anatomica dell'aorta e dei rami collaterali. Successivamente nel secondo capitolo verrà analizzato, sia dal punto di vista statico che dal punto di vista dinamico, il circuito di condizionamento, ossia la circuiteria che sta a valle del sensore. Questo circuito permette al sensore di acquisire talune caratteristiche fondamentali per la misura di velocità ed inoltre consente la trasduzione da variabile fisica (velocità del flusso) a variabile elettrica (Tensione). In questo capitolo verrà inoltre fornita una descrizione delle relazioni matematiche fondamentali che legano la temperatura del sensore, la velocità del flusso e la tensione in uscita. Una descrizione del set sperimentale utilizzato per raccogliere dati sarà presente nel terzo capitolo. Qui si troverà una descrizione di tutte le attrezzature utilizzate al fine di poter testare il funzionamento del sensore. Nel quarto capitolo verranno visualizzati i risultati ottenuti facendo riferimento ai test effettuati prima su acqua e successivamente su sangue (suino). Verrà inoltre trovata la curva di calibrazione che permetterà di trovare una relazione biunivoca tra velocità del flusso e tensione in uscita. Infine, nel quinto capitolo verrà proposto un modello del circuito di condizionamento ottenuto mediante LTspice. Mediante il modello sarà possibile simulare un flusso di una velocità voluta e seguire l'andamento della tensione e della temperatura del sensore.

Analisi energetica di un impianto di condizionamento a tutt'aria integrato con l'involucro opaco verticale di un edificio

Il mantenimento delle condizioni termoigrometriche ottimali all’interno di edifici mediante l’uso di unità di trattamento dell'aria comporta generalmente consumi energetici notevoli. Ciò che determina il livello entalpico di immissione dell’aria è il fabbisogno energetico dell’involucro edilizio: la geometria, i materiali di costruzione, unitamente ai carichi interni, alle infiltrazioni d’aria indesiderate, e ovviamente, alla zona climatica in cui l’edificio sorge, giocano un ruolo fondamentale nel computo dei consumi energetici. Nella pratica, esistono diverse soluzioni tecniche volte alla riduzione dei consumi e quindi dei costi di gestione di queste tipologie di impianto. Tra queste, occorre senz’altro ricordare l’inserimento del “cappotto termico” e delle cosiddette facciate ventilate. Ciascuna di queste due soluzioni interviene direttamente sull’involucro edilizio, riducendone il fabbisogno energetico. Si trovano poi soluzioni che non interessano direttamente l’involucro, ma che sono inserite all’interno dell’impianto in modo da ridurne i consumi. E’ il caso dei recuperatori di calore, scambiatori di calore che utilizzano l’aria prelevata dal locale condizionato per preriscaldare o preraffreddare l’aria esterna. Lo scopo di questo elaborato è quello di analizzare le prestazioni energetiche di un impianto di condizionamento che utilizzi, combinandole, due di queste soluzioni: l’intercapedine ventilata, con convezione di tipo forzata, e il recuperatore di calore. In particolare, si è fatto in modo che la facciata ventilata sia una sorta di componente dell’impianto, che risulta quindi “integrato nell’involucro”: l’idea è quella di studiare l’effetto della frazione di portata elaborata dall’impianto che viene inviata alla parete sui consumi energetici. Si è posta l’attenzione principalmente sulla stagione estiva, nella quale l’impianto studiato fa anche uso della tecnica del cosiddetto mist cooling: umidificando la portata d’aria di ripresa sia a monte che all’interno dell’intercapedine ventilata, si abbatte la temperatura dell’aria, con un conseguente abbattimento della temperatura di parete e con un notevole miglioramento delle prestazioni del recuperatore di calore.

Valutazione delle prestazioni termo-idrauliche di microcanali a spigoli smussati

In questo eleborato viene presentato uno studio focalizzato sull’ottimizzazione della geometria dei microcanali di un dissipatore di calore, con lo scopo di fornire una serie di relazioni operative e quindi direttamente utilizzabili per la progettazione di tali dispositivi. Alla definizione delle tradizionali funzioni obiettivo, legate ai Performance Evaluation Criteria (PEC), è stata aggiunta un’analisi dal punto di vista del secondo principio della termodinamica, per valutare l’entropia generata da un flusso fluido in un canale. Normalizzando l’entropia generata si è passati all’utilizzo di un numero di generazione entropica adimensionale e quindi più adatto alla valutazione delle prestazioni. Dopo una prima fase di analisi dal punto di vista fisico, il modello è stato applicato a casi concreti, in cui funzione obiettivo e numero di generazione entropica sono stati espressi in dipendenza dell’incognita geometrica da valutare. Inoltre, è stato approfondito anche il caso in cui non siano trascurabili gli effetti di dissipazione viscosa, che possono effettivamente incidere in modo determinante sullo scambio termico, soprattutto alle microscale.

Water footprint e modalità di risparmio idrico nell'industria agroalimentare

Ci rendiamo conto del valore dell’acqua solamente quando scarseggia. Fino ad oggi il problema poteva sembrare limitato ai Paesi più poveri di tale risorsa, ma le cose potrebbero cambiare perché l’acqua “di qualità” – ossia dolce e non inquinata – rappresenta solo una minima percentuale delle nostre riserve. E noi ne usiamo sempre di più: sia perché aumenta la popolazione della Terra, sia perché il maggiore benessere raggiunto da molti Paesi spinge la popolazione a consumare (e sprecare) più acqua. Un consumo che va esaminato non solo in termini “reali” (calcolando le quantità che si usano per la cura personale, per la cucina o per la pulizia della casa), ma anche “virtuali” (in termini di impronta idrica), stimando cioè tutta l’acqua che è stata utilizzata lungo l’intero ciclo di vita di un qualunque prodotto o servizio acquistato. Basti pensare che se si modificasse il proprio stile alimentare, passando ad esempio a prediligere una dieta più ricca di frutta, verdura e cereali, limitando la quantità di proteine animali, sarebbe possibile ridurre anche in modo significativo i consumi di acqua “virtuale”. 
Quindi, se da un lato la domanda cresce e dall’altro le risorse si riducono, anche per colpa dell’inquinamento e del cambiamento climatico, è sicuro che il valore economico dell’acqua aumenterà e le disuguaglianze, già oggi presenti, potranno portare nuovi attriti. Per questi motivi diventa fondamentale il concetto di Water Footprint, ossia l’analisi delle quantità di acqua utilizzata all’interno di tutta la filiera che porta alla produzione di un prodotto finito. Visto il mio corso di studi in ingegneria gestionale, ho deciso di concentrarmi principalmente sul concetto di Water Footprint all’interno dell’ambito industriale, analizzando in particolare il caso di un’azienda dell’Emilia Romagna. Ho scelto questo argomento perché sono sempre stato interessato all’ambiente e alla sua salvaguardia. Trattare nella tesi tale tema mi è sembrato utile per approfondire e diffondere concetti come quelli dell’impronta idrica e dell’acqua virtuale che, pur discussi a livello internazionale ormai da anni, tardano ancora ad essere affrontati in maniera ampia in Italia, che è il terzo Paese importatore netto di acqua virtuale al mondo.

Misure di temperatura tramite radiazione infrarossa

Ad oggi, grazie al progresso tecnologico, sono stati realizzati accuratissimi rivelatori di radiazione infrarossa, rendendo possibili misure altamente precise. L’impiego massiccio dell’indagine termografica infrarossa è basato sull’emissione termica da parte della materia. Tutta la materia a temperatura superiore dello zero assoluto emette radiazione elettromagnetica con una certa distribuzione spettrale, dipendente dalla temperatura e dalle caratteristiche costitutive. Le capacità emissive di un corpo sono quantificate da un parametro, l’emissività, che confronta i corpi reali con il corpo nero, modellizzazione matematica di un perfetto emettitore. I corpi a temperatura ambiente emettono principalmente nell’infrarosso. Poichè la radiazione infrarossa non è percepibile dall’occhio umano, i corpi a temperature ordinarie non appaiono luminosi e sono visti brillare unicamente di luce riflessa. Solo fornendo calore al sistema, aumentandone cioè la temperatura, l’emissione di picco si sposta verso le frequenze del visibile ed i corpi appaiono luminosi; si pensi ad esempio alle braci della legna bruciata. La possibilità di rivelare la radiazione infrarossa con opportuni dispositivi permette quindi di vedere la “luce” emessa da corpi relativamente freddi. Per questo motivo la termografia trova applicazione nella visione o videoregistrazione notturna o in condizioni di scarsa visibilità. Poichè la distribuzione spettrale dipende dalla temperatura, oltre al picco di emissione anche la quantità di radiazione emessa dipende dalla teperatura, in particolare è proporzionale alla quarta potenza della temperatura. Rilevando la quantità di radiazione emessa da un corpo se ne può dunque misurare la temperatura superficiale, o globale se il corpo è in equilibrio termico. La termometria, ovvero la misura della temperatura dei corpi, può dunque sfruttare la termografia per operare misure a distanza o non invasive.

Il ruolo delle infrastrutture verdi nella riqualificazione del territorio. Realizzazioni di substrati alleggeriti sostenibili tramite l'utilizzo di materie prime secondarie.

Si indaga il ruolo delle tecnologie verdi all'interno del contesto urbano, in particolare gli effetti delle infrastrutture verdi sulla regimazione idrica e l'isola di calore. Si sono implementati substrati estensivi alleggeriti sostenibili tramite materie secondarie, che costituiscono un vantaggio economico e strutturale, oltre che di riciclo di scarti da filiere produttive, mantenendo intatta la crescita delle piante

Analisi energetica e studio di fattibilità di un impianto di solar cooling a servizio di un hotel

Il calore del sole diventa energia frigorifera sostenibile economicamente ed energticamente. Gli sviluppi tecnologici degli ultimi anni nel campo dell’energia solare consentono consentono di realizzare quanto apparentemente in contraddizione con i fondamentali teoremi della fisica classica ed in particolare della termodinamica. Questo elaborato vuole analizzare come, se e in quali casi sia conveniente l'installazione di un impianto di solar cooling per la climatizzazione estiva di un edificio. Partendo dal problema, sempre più attuale, dei crescenti consumi di energia elettrica per il condizionamento estivo degli edifici, dalla ricerca bibliografica è emerso come inizi a farsi strada, come soluzione percorribile e logicamente interessante, l’utilizzo dell’energia solare, fruttata in impianti che prendono il nome di impianti di solar cooling.

Schemi di soluzione numerica dell'equazione delle onde per l'individuazione di punti salienti in immagini

L’obiettivo di questa tesi è stato quello di migliorare l’efficacia e l’efficienza di una proposta allo stato dell’arte per l’individuazione di punti salienti in immagini digitali [1]. Questo algoritmo sfrutta le proprietà dell’equazione alle derivate parziali che modella l’evoluzione di un’onda. Per migliorarlo sono stati implementati alcuni schemi numerici di risoluzione dell’equazione delle onde bidimensionale e sono stati valutati rispetto allo schema già utilizzato. Sono stati implementati sia schemi impliciti sia schemi espliciti, tutti in due versioni: con interlacciamento con l’equazione del calore (diffusivi) e senza. Lo studio dei migliori schemi è stato approfondito e questi ultimi sono stati confrontati con successo con la versione precedentemente proposta dello schema esplicito INT 1/4 con diffusione [1]. In seguito è stata realizzata una versione computazionalmente più efficiente dei migliori schemi di risoluzione attraverso l’uso di una struttura piramidale ottenuta per sotto-campionamento dell’immagine. Questa versione riduce i tempi di calcolo con limitati cali di performance. Il tuning dei parametri caratteristici del detector è stato effettuato utilizzando un set di immagini varianti per scala, sfocamento (blur), punto di vista, compressione jpeg e variazione di luminosità noto come Oxford dataset. Sullo stesso sono stati ricavati risultati sperimentali che identificano la proposta presentata come il nuovo stato dell’arte. Per confrontare le performance di detection con altri detector allo stato dell’arte sono stati utilizzati tre ulteriori dataset che prendono il nome di Untextured dataset, Symbench dataset e Robot dataset. Questi ultimi contengono variazioni di illuminazione, momento di cattura, scala e punto di vista. I detector sviluppati risultano i migliori sull’Untextured dataset, raggiungono performance simili al miglior detector disponibile sul Symbench dataset e rappresentano il nuovo stato dell’arte sul Robot dataset.

Valutazione sperimentale del campo aerodinamico prodotto da rasaerba industriali: un'indagine parametrica

L’azienda GGP, leader europeo nella produzione di rasaerba e prodotti per il giardinaggio, ha avviato, in collaborazione con il Laboratorio di aerodinamica sperimentale della Facoltà di ingegneria dell’Università di Bologna, uno studio atto alla valutazione delle prestazioni dei rasaerba commercializzati, al fine di comprendere quali siano le vie percorribili per ottenere un miglioramento delle prestazioni associate. Attualmente il metodo utilizzato per compiere tali valutazioni consiste nel far percorrere al rasaerba un percorso di lunghezza prestabilita e valutare il peso dell’erba raccolta nel sacco. Tale approccio presenta delle forti limitazioni in quanto le prove non sono per loro natura ripetibili. Si pensi ad esempio alla non uniformità del terreno e all’altezza dell’erba. È pertanto necessario un approccio in grado di definire con maggior precisione e ripetibilità le prestazioni dei macchinari rasaerba. Tra le diverse prestazioni c’è la capacità della macchina di trattare una portata di aria più elevata possibile garantendo un’elevata aspirazione dell’erba tagliata. Da questo punto vista la geometria della lama riveste un’importanza particolare. Per valutare le prestazioni della singola lama, è stato realizzato un “test-rig lame”, uno strumento con cui è possibile trattare il flusso per renderlo misurabile e valutare la portata d’aria attraverso semplici misure di pressione. Una volta costruito il “test-rig”, sono stati individuati i parametri geometrici delle lame che influenzano la portata, quali apertura, corda e calettamento del flap della lama. Lo studio svolto si limita a valutare gli effetti causati dalla sola geometria della lama prescindendo dalla forma della voluta, in quanto la sua interazione con la lama risulta di grande complessità. Si è quindi avviata una campagna di test sperimentali effettuati su lame caratterizzate da diversi valori dei parametri, che l’azienda stessa ha prodotto e fornito al laboratorio, al fine di trovare relazioni funzionali tra la portata elaborata e la geometria delle lame.