Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

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.

Riconoscimento gesti applicato alla Realtà Virtuale

Realizzazione di un software che utilizza la realtà virtuale unitamente al riconoscimento gesti. Si tratta nello specifico di un programma che permette all’utilizzatore, dotato di un paio di occhiali per la visione stereoscopica, la possibilità di muoversi all’interno di un mondo virtuale. Lo spostamento nell’ ambiente realizzato avviene mediante l'impiego di una cyclette, affinchè la sensazione finale per l'utente sia quella di muoversi lungo un percorso su di una bicicletta. A tale proposito viene illustata la realizzazione della pedalata rilevata attraverso un sensore in grado di registrare i movimenti della gamba. succesivamente i dati analizzati saranno impiegati per riconoscere il gesto specifico del movimento in questione, in modo tale da fornire la spinta necessaria a spostarsi nell'ambiente virtuale. L’elaborato si compone di una trattazione teorica degli argomenti, resa necessaria per la progettazione; e di una dettagliata illustrazione delle scelte effettuate nella fase di realizzazione del software. In conclusione vengono accennati i possibili sviluppi futuri, partendo dalla consapevolezza della possibilità di eventuali miglioramenti al software stesso.

Meccanismi di Gamification per interfacce human-vehicle

L’obiettivo principale di questa tesi è utilizzare le tecniche di gamification più importanti nella progettazione ed implementazione di un’interfaccia Human-Vehicle per creare un software che possa rendere la guida di un’automobile elettrica più efficace ed efficiente da parte del guidatore. Per lo sviluppo del software è stato svolto uno studio specifico sulla gamification, sulle interfacce Human-Vehicle e sulle macchine elettriche attualmente in produzione. Successivamente è stata svolta la fase di progettazione in cui sono stati creati dei mockup relativi all’interfaccia grafica ed è stato svolto un focus group. Infine è stato implementato il vero e proprio software di simulazione EcoGame ed è stato effettuato un test utenti.

Vibrazioni di Piastre in Materiale Composito con Elementi Finiti in Forma Forte

In questa tesi si affronta lo studio di piastre isotrope e laminate mediante metodo GDQ e si confrontano i risultati con quelli ottenuti, per le stesse tipologie di piastre, mediante metodo FEM. Lo scopo del lavoro e quello di certificare la maggior efficienza del software di calcolo DiQuMASPAB, basato su teorie in forma forte, rispetto ai tradizionali software di calcolo agli elementi finiti attualmente in commercio. Il confronto ha come obiettivo quello di evidenziare i punti deboli dal punto di vista dell'approssimazione delle soluzioni e del costo computazonale.

Uso di immagini fotogrammetriche storiche per la produzione di elaborati cartografici in Antartide

L'elaborato raccoglie le attività necessarie alla generazione di una ortofoto e di un Digital Surface Model a partire da una coppia di fotogrammi. L'area di interesse è la base italiana in Antartide Mario Zucchelli situata in prossimità della baia di Terranova. Dopo una prima parte in cui vengono descritti gli aspetti teorici della fotogrammetria, quali acquisizione delle immagini, orientamento interno ed esterno, stereo-restituzione e generazione dei prodotti finali si descrivono i procedimenti pratici per la generazione di una ortofoto, quindi una fotografia aerea che ha subito un processo di correzione geometrica e radiometrica e che può quindi essere utilizzata per dedurre informazioni quantitative di tipo metrico. Le operazioni svolte presso il laboratorio di Topografia sono state svolte mediante l'utilizzo del software di modellazione Agisoft Photoscan. Infine nelle conclusioni si sottolinea l'importanza della fotogrammetria come archivio storico e come unico strumento di indagine su fenomeni antropologici e naturali di lunga durata, non indagabili in altri modi.

Analisi di un impianto solare termico a circolazione forzata per la produzione di acqua calda sanitaria in un condominio

Il presente elaborato propone un’analisi in regime dinamico mediante il software di simulazione TRNSYS di un impianto solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria istallato in un condominio a Bologna. Le simulazioni rappresentano una particolare tipologia di esperimento numerico e possono fornire lo stesso tipo di informazioni sulle performance termiche dei comuni esperimenti fisici. Esse possono valutare gli effetti delle variabili di progetto sulle performance del sistema attraverso una serie di esperimenti, eseguiti tutti in identiche condizioni metereologiche e di carico. Le variabili di progetto esaminate in questo documento mediante simulazione sono l’inclinazione e orientamento del collettore, la superficie captante totale istallata, il volume di accumulo e la portata massima del circuito solare. Le analisi esposte sono un esempio dei risultati che un approccio simulativo può garantire; nel nostro caso, in particolare, le simulazioni hanno confermato la bontà dei criteri di dimensionamento degli impianti solari termici che è possibile incontrare in letteratura. Il presente elaborato si propone inoltre di discutere i benefici, ambientali ed economici, legati all’investimento proposto. L’analisi economica, in particolare, è stata eseguita a seconda dell’impianto tradizionale da affiancare, del diverso costo dell’impianto, di differenti valori di superficie captante e considerando o meno gli incentivi fiscali offerti: per questa valutazione è stato nuovamente necessario l’ausilio del software di simulazione.

Analisi tecnico-economica di interventi di riqualificazione energetica in un plesso scolastico

Gli interventi di riqualificazione energetica di un edificio risultano necessari per rispondere alle leggi europee e nazionali che impongono misure sempre più stringenti per limitare le dispersioni termiche degli edifici e per ridurre i consumi energetici. L’utilizzo del software Edilclima ha permesso lo studio e l’analisi delle condizioni pre e post-interventi dell’edificio scolastico G. Marconi sito in Castelfranco Emilia (MO). Per mezzo del modello creato nel software, sono state determinate le dispersioni termiche dell’edificio, sulla base delle quali è stato possibile definire alcuni interventi di efficientamento energetico. Gli interventi considerati sono stati: isolamento delle pareti perimetrali verso l’esterno e verso il terreno, isolamento del sottotetto, sostituzione degli infissi. Gli interventi sono necessari per ottenere un edificio che presenti caratteristiche conformi alle leggi; hanno lo scopo di ridurre l’indice di Prestazione Energetica e i costi per il riscaldamento dell’edificio. Gli indici su cui si è valutata la convenienza degli interventi sono stati: il risparmio in termini di costo annuo per il riscaldamento e il tempo di ritorno dell’investimento (payback time). Sono stati presi in considerazione i casi di interventi singoli e di interventi combinati, il confronto tra essi, in questo caso, definisce gli interventi combinati come maggiormente convenienti rispetto ai parametri presi in considerazione per la valutazione della convenienza. Le valutazioni, inoltre, sono state effettuate in due diversi condizioni: impianto con accensione continua (sul modello delle valutazioni per la Certificazione Energetica) e impianto con accensione intermittente (sul modello delle valutazioni per la Diagnosi energetica). Le due condizioni di prova hanno messo in luce l’importanza della valutazione con impianto intermittente poiché questa rappresenta una condizione più realistica e fornisce una stima più attendibile della convenienza degli interventi.

Valutazione del rischio idraulico, compreso il fallimento delle difese, mediante metodo probabilistico: rottura del Secchia del 19 gennaio 2014

Obbiettivo della tesi è sviluppare un metodo che valuti la probabilità di rottura arginale nella stesura delle mappe di pericolosità e di rischio alluvione. Ad oggi le mappe di pericolosità, redatte dagli enti regionali, considerano solo la probabilità di superamento dell’argine da parte del livello idrico (overtopping) e non il cedimento dello stesso a causa dell’instabilizzazione dovuta all’innalzamento del livello del fiume. Per la presente tesi si è scelto come caso di studio la rottura dell’argine destro del fiume Secchia del 19 gennaio 2014, presso la frazione di San Matteo, comune di Modena. Questo caso di rottura arginale è particolarmente interessante, poiché dopo l’accaduto la regione Emilia-Romagna ha predisposto una commissione tecnica per valutare le cause dell'evento. La commissione ha quindi predisposto una serie di indagini i cui dati saranno di fondamentale importanza nella presente tesi. Utilizzando, infatti, questo caso di cedimento arginale come esempio si è potuto innanzitutto ricostruire il fenomeno che ha provocato il fallimento dell’argine e ricalcolare il rischio inondazione sulle zone allagate considerando la probabilità di fallimento del sistema arginale. Per fare ciò, si sono inizialmente eseguite varie modellazioni idrauliche, sul corpo arginale, per stabilire gli spostamenti della tavola d’acqua e i valori di pressione interstiziale dei pori al variare dei tiranti idrici utilizzando il software SEEP/W. Successivamente si è utilizzato SLOPE/W allo scopo di verificate le probabilità di cedimento dell'argine in relazione alle modellazioni idrauliche effettuate con SEEP/W. Una volta ricavate le probabilità di rottura alle varie quote idriche con SLOPE/W, le si è riportate su un foglio di calcolo Excel e ricavata la curva di fragilità dell'argine e calcolato le probabilità di accadimento degli eventi alluvionali. Dopo di ciò attraverso l’utilizzo del software CA2D si sono modellate le mappe di alluvione per i vari eventi e con l’ausilio di Qgis si sono ricavate le mappe di pericolosità e calcolato il rischio sugli edifici interessati.

Sviluppo di un'applicazione per lo scheduling di processi periodici con vincoli temporali

In questo elaborato ,sono descritte le fasi di realizzazione del software di simulazione di scheduling di processi periodici per sistemi operativi real-time, realizzato per questa tesi.

From data to applications in the Internet of Things

Con la crescita in complessità delle infrastrutture IT e la pervasività degli scenari di Internet of Things (IoT) emerge il bisogno di nuovi modelli computazionali basati su entità autonome capaci di portare a termine obiettivi di alto livello interagendo tra loro grazie al supporto di infrastrutture come il Fog Computing, per la vicinanza alle sorgenti dei dati, e del Cloud Computing per offrire servizi analitici complessi di back-end in grado di fornire risultati per milioni di utenti. Questi nuovi scenarii portano a ripensare il modo in cui il software viene progettato e sviluppato in una prospettiva agile. Le attività dei team di sviluppatori (Dev) dovrebbero essere strettamente legate alle attività dei team che supportano il Cloud (Ops) secondo nuove metodologie oggi note come DevOps. Tuttavia, data la mancanza di astrazioni adeguata a livello di linguaggio di programmazione, gli sviluppatori IoT sono spesso indotti a seguire approcci di sviluppo bottom-up che spesso risulta non adeguato ad affrontare la compessità delle applicazione del settore e l'eterogeneità dei compomenti software che le formano. Poichè le applicazioni monolitiche del passato appaiono difficilmente scalabili e gestibili in un ambiente Cloud con molteplici utenti, molti ritengono necessaria l'adozione di un nuovo stile architetturale, in cui un'applicazione dovrebbe essere vista come una composizione di micro-servizi, ciascuno dedicato a uno specifica funzionalità applicativa e ciascuno sotto la responsabilità di un piccolo team di sviluppatori, dall'analisi del problema al deployment e al management. Poichè al momento non si è ancora giunti a una definizione univoca e condivisa dei microservices e di altri concetti che emergono da IoT e dal Cloud, nè tantomento alla definzione di linguaggi sepcializzati per questo settore, la definzione di metamodelli custom associati alla produzione automatica del software di raccordo con le infrastrutture potrebbe aiutare un team di sviluppo ad elevare il livello di astrazione, incapsulando in una software factory aziendale i dettagli implementativi. Grazie a sistemi di produzione del sofware basati sul Model Driven Software Development (MDSD), l'approccio top-down attualmente carente può essere recuperato, permettendo di focalizzare l'attenzione sulla business logic delle applicazioni. Nella tesi viene mostrato un esempio di questo possibile approccio, partendo dall'idea che un'applicazione IoT sia in primo luogo un sistema software distribuito in cui l'interazione tra componenti attivi (modellati come attori) gioca un ruolo fondamentale.

From F energy rating to Nearly ZEB: project of energy retrofit and architectural upgrade of a brick terraced house in Co. Dublin, Ireland

Questo progetto è stato sviluppato durante un periodo di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Civile del Trinity College e continuato presso l’Università di Bologna. Il progetto ha l’obiettivo di analizzare le soluzioni per l’ampliamento, la sostituzione degli impianti e l’ottimizzazione energetica di un tipico edificio residenziale Irlandese, una end of terrace in mattoni costruita negli anni ’20, collocata a Blackrock (Dublino). Diversi studi sostengono che lo stock abitativo irlandese è il peggiore del nord Europa per quanto riguarda la performance energetica. Questa tesi consta di una prima parte di studio del contesto e delle tecniche costruttive tradizionali irlandesi; è presente un capitolo di approfondimento sulle leggi riguardanti le costruzioni e gli incentivi forniti dal governo irlandese per interventi di retrofit energetico. Il terzo capitolo è un’analisi dell'esistente, con disegni del rilievo geometrico, immagini dell’edificio originale, termogrammi e dati riguardanti l’attuale performance energetica. Vengono poi mostrate diverse ipotesi di progetto e, una volta determinata la disposizione degli spazi interni, vengono considerate due soluzioni simili, ma costruite con pacchetti costruttivi diversi. Nel Progetto A l’involucro dell’addizione ha una struttura in muratura, nel Progetto B la struttura è in X-lam. Le performance energetiche delle due proposte vengono confrontate tramite una simulazione attuata grazie all'utilizzo del software dinamico IES-VE. Viene valutata l’applicazione di energie rinnovabili, quali l’energia solare e eolica e l’apporto che queste possono dare al bilancio energetico. Infine viene fatta un’analisi dei costi, valutando possibili suddivisioni dei lavori e ipotizzando un piano di ritorno dell’investimento, anche in combinazione con l’applicazione di energie rinnovabili. Alla fine del progetto si trova una valutazione quantitativa dei miglioramenti dell’edificio e un’analisi critica dei limiti del progetto.

Tecniche innovative di modellazione diretta nell'early stage design

Partendo da un’analisi dei problemi che si incontrano nella fase di conceptual design, si presentano le diverse tecniche di modellazione tridimensionale, con particolare attenzione al metodo subdivision e agli algoritmi che lo governano (Chaikin, Doo – Sabin). Vengono poi proposti alcuni esempi applicativi della modellazione free form e skeleton, con una successiva comparazione, sugli stessi modelli, delle sequenze e operazioni necessarie con le tradizionali tecniche di modellazione parametrica. Si riporta un esempio dell’utilizzo del software IronCAD, il primo software a unire la modellazione parametrica e diretta. Si descrivono le limitazioni della modellazione parametrica e di quella history free nella fase concettuale di un progetto, per arrivare a definire le caratteristiche della hybrid modeling, nuovo approccio alla modellazione. Si presenta brevemente il prototipo, in fase di sviluppo, che tenta di applicare concretamente i concetti dell’hybrid modeling e che vuole essere la base di partenza per una nuova generazione di softwares CAD. Infine si presenta la possibilità di ottenere simulazioni real time su modelli che subiscono modifiche topologiche. La simulazione real time è permessa dalla ridefinizione in forma parametrica del problema lineare elastico che viene successivamente risolto mediante l’applicazione congiunta delle R – Functions e del metodo PGD. Seguono esempi di simulazione real time.

Analisi di una stazione permanente GNSS posta sul Plateau Antartico

Attraverso lo studio di serie temporali di coordinate è possibile studiare l'entità degli spostamenti, nel tempo, di punti materializzati sulla Terra. In particolare, si incentra l'attenzione sull'analisi della stazione permanente GNSS DCRU collocata presso la base italo-francese Concordia, così da valutare il campo di velocità di deflusso superficiale del ghiaccio in una porzione di plateau dell’Antartide orientale sede della perforazione profonda in ghiaccio del progetto European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) . Tale stazione è stata inserita in una rete di inquadramento dell'IGS e ha acquisito dati satellitari dal 2005 a oggi, raccolti giornalmente in file RINEX. Tramite l'utilizzo del software Bernese versione 5.2 è stato possibile ottenere dai file RINEX i file SINEX contenenti le soluzioni giornaliere, che costituiscono la serie temporale, e le relative varianze e covarianze. Avvalendosi del programma Tsview implementato per GGMatlab si sono poi valutate le componenti principali che caratterizzano una serie temporale, quali il trend, le componenti stagionali ed i rumori che giocano, talvolta, un ruolo importante nella valutazione dell'incertezza legata alle misure. Infine si è cercato di dare un'interpretazione fisica ai risultati che sono tutt'ora oggetto di studio. In questa tesi, quindi, si delinea un quadro generale delle procedure e delle problematiche da affrontare, sia per ottenere dall'acquisizione satellitare le soluzioni giornaliere costituenti la serie temporale, sia per analizzare la serie stessa.