Studio della fluidodinamica e della reazione chimica in un reattore agitato tramite modellazione cfd

L’attività di tesi è stata rivolta a realizzare l’accoppiamento tra modelli di reazione chimica e modelli di fluidodinamica per una reazione eterogenea solido-liquido in un reattore agitato, in ambito di un codice commerciale di fluidodinamica numerica. Lo studio ha avuto come punto di partenza la definizione e la discretizzazione del dominio di calcolo tramite un apposito programma. Per una trattazione completa, si sono svolti studi preliminari volti ad identificare le incertezze dovute ai metodi numerici e i limiti dovuti alla formulazione dei modelli per la descrizione del sistema. Lo studio si è svolto considerando sistemi di complessità crescente, partendo da simulazioni monofase fino ad arrivare allo studio di diverse soluzioni per sistemi reagenti con reazioni eterogenee solido-liquido. Questi ultimi esempi applicativi sono serviti come verifica del modello sviluppato (dove con modello si è indicato l’insieme dei modelli relativi alla fluidodinamica accoppiati al modello di reazione). Questa attività ha contribuito ad affrontare un problema di simulazione completa e completamente predittiva dei reattori chimici, essendo la letteratura a riguardo limitata, a differenza di quella relativa alle simulazioni puramente fluidodinamiche.

Analisi cfd in un motore pfi del moto di tumble a carico parzializzato al variare dell'angolo di rotazione della valvola a farfalla

Studio del moto di tumble e della generazione di turbolenza tramite simulazioni CFD tridimensionali al variare del grado di parzializzazione e del verso di rotazione della valvola a farfalla

Experimentally and coupled CFD/CSD assisted structural and aeroelastic modelling of the Javelin UAV outboard wing section

This study presents the procedure followed to make a prediction of the critical flutter speed for a composite UAV wing. At the beginning of the study, there was no information available on the materials used for the construction of the wing, and the wing internal structure was unknown. Ground vibration tests were performed in order to detect the structure’s natural frequencies and mode shapes. From tests, it was found that the wing possesses a high stiffness, presenting well separated first bending and torsional natural frequencies. Two finite element models were developed and matched to experimental results. It has been necessary to introduce some assumptions, due to the uncertainties regarding the structure. The matching process was based on natural frequencies’ sensitivity with respect to a change in the mechanical properties of the materials. Once experimental results were met, average material properties were also found. Aerodynamic coefficients for the wing were obtained by means of a CFD software. The same analysis was also conducted when the wing is deformed in its first four mode shapes. A first approximation for flutter critical speed was made with the classical V - g technique. Finally, wing’s aeroelastic behavior was simulated using a coupled CFD/CSD method, obtaining a more accurate flutter prediction. The CSD solver is based on the time integration of modal dynamic equations, requiring the extraction of mode shapes from the previously performed finite-element analysis. Results show that flutter onset is not a risk for the UAV, occurring at velocities well beyond its operative range.

A LES study of a modified Ahmed body geometry

A numerical study using Large Eddy Simulation Coherent Structure Model (LES-CSM), of the flow around a simplified Ahmed body, has been done in this work of thesis. The models used are two salient geometries from the experimental investigation performed in [1], and consist, in particular, in two notch-back body geometries. Six simulation are carried out in total, changing Reynolds number and back-light angle of the model’s rear part. The Reynolds numbers used, based on the height of the models and the free stream velocity, are Re = 10000, Re = 30000 and Re = 50000. The back-light angles of the slanted surface with respect to the horizontal roof surface, that characterizes the vehicle, are taken as B = 31.8◦ and B = 42◦ respectively. The experimental results in [1] have shown that, depending on the parameter B, asymmetric and symmetric averaged flow over the back-light and in the wake for a symmetric geometry can be observed. The aims of the present work of master thesis are principally two. The first aim is to investigate and confirm the influence of the parameter B on the presence of the asymmetry of the averaged flow, and confirm the features described in the experimental results. The second important aspect is to investigate and observe the influence of the second variable, the Reynolds number, in the developing of the asymmetric flow itself. The results have shown the presence of the mentioned asymmetry as well as an influence of the Reynolds number on it.

Modello di calcolo per la valutazione delle prestazioni propulsive di un motore ibrido

Questo lavoro di tesi, svolto presso AVIO S.P.A, sede di Colleferro (RM), divisione spazio, si inserisce all'interno del progetto Theseus, che ha come scopo finale lo sviluppo di un dimostratore di un motore ibrido a combustibile solido e ossidante gassoso. In particolare, in questo momento è richiesto un codice di calcolo, preciso ma allo stesso tempo abbastanza contenuto nei tempi di calcolo, che permetta l'analisi e le previsioni della balistica interna di tale motore ibrido. Il codice di calcolo si basa su una versione già esistente per i motori a solido (CUBIC) scritto in ambiente FORTRAN, ed è stato riadattato ai motori ibridi. In particolare è stata scritta una routine per il calcolo della velocità di combustione che tiene conto di diversi fattori, tra cui blowing e il fenomeno di entrainment presente in superficie. Sempre per quanto riguarda la velocità di combustione, nel suo calcolo si tiene conto dell'impingement dell'iniettore sul grano e del valore locale (per quanto riguarda la temperatura di fiamma) dell'O/F. Inoltre è stato anche modellato il comportamento termodinamico delle eventuali protezioni termiche presenti internamente al motore, considerando tutti i fenomeni di pirolisi e ablazione che caratterizzano tali materiali. In fine il modello completo è stato testato e validato grazie al fatto che si disponeva di alcuni tiri al banco di un motore ibrido, effettuati presso il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università di Napoli Federico II.

Ottimizzazione aerodinamica del rotore principale dell'elicottero RC Goblin Speed

L'elimodellismo è una passione che lega un numero sempre maggiore di persone: nuove manifestazioni vengono organizzate in tutto il mondo e nuove discipline vengono continuamente proposte. Questo è il caso della disciplina speed in cui i piloti si sfidano a far volare i propri elimodelli alle massime velocità. L'azienda SAB Heli Division s.r.l., come produttore di pale per elimodelli e della serie di elicotteri Goblin, ha interesse a sostenere i propri piloti con le proprie macchine, facendo sì che siano veloci e competitive. Per questo ha voluto sviluppare una pala che, montata sul proprio elicottero specifico per questa disciplina, possa vincere la concorrenza con l'ambizione di stabilire un primato di velocità a livello internazionale. Il problema è quindi quello di sviluppare una pala che ottimizzasse al meglio le caratteristiche dell'elimodello Goblin Speed, in modo da sfruttare al meglio la potenza installata a bordo. Per via dei limiti sui mezzi a disposizione l'ottimizzazione è stata portata avanti mediante la teoria dell'elemento di pala. Si è impostato il calcolo determinando la potenza media su una rotazione del rotore in volo avanzato a 270 km/h e quindi attraverso gli algoritmi di ottimizzazione globale presenti nel codice di calcolo MATLAB si è cercato il rotore che permettesse il volo a tale velocità al variare del raggio del disco del rotore, dello svergolamento della pala e della distribuzione di corda lungo la pala. Per far sì che si abbiano risultati più precisi si sono sfruttati alcuni modelli per stimare il campo di velocità indotta o gli effetti dello stallo dinamico. Inoltre sono state stimate altre grandezze di cui non sono noti i dati reali o di cui è troppo complesso, per le conoscenze a disposizione, avere un dato preciso. Si è tuttavia cercato di avere stime verosimili. Alcune di queste grandezze sono le caratteristiche aerodinamiche del profilo NACA 0012 utilizzato, ottenute mediante analisi CFD bidimensionale, i comandi di passo collettivo e ciclico che equilibrano il velivolo e la resistenza aerodinamica dell'intero elimodello. I risultati del calcolo sono stati confrontati innanzitutto con le soluzioni già adottate dall'azienda. Quindi si è proceduto alla realizzazione della pala e mediante test di volo si è cercato di valutare le prestazioni della macchina che monta la pala ottenuta. Nonostante le approssimazioni adottate si è osservato che la pala progettata a partire dai risultati dell'ottimizzazione rispecchia la filosofia adottata: per velocità paragonabili a quelle ottenute con le pale prodotte da SAB Heli Division, le potenze richieste sono effettivamente inferiori. Tuttavia non è stato possibile ottenere un vero e proprio miglioramento della velocità di volo, presumibilmente a causa delle stime delle caratteristiche aerodinamiche delle diverse parti del Goblin Speed.

Numerical and experimental investigation of turbulent dissipation

Turbulent energy dissipation is presented in the theoretical context of the famous Kolmogorov theory, formulated in 1941. Some remarks and comments about this theory help the reader understand the approach to turbulence study, as well as give some basic insights to the problem. A clear distinction is made amongst dissipation, pseudo-dissipation and dissipation surrogates. Dissipation regulates how turbulent kinetic energy in a flow gets transformed into internal energy, which makes this quantity a fundamental characteristic to investigate in order to enhance our understanding of turbulence. The dissertation focuses on experimental investigation of the pseudo-dissipation. Indeed this quantity is difficult to measure as it requires the knowledge of all the possible derivatives of the three dimensional velocity field. Once considering an hot-wire technique to measure dissipation we need to deal with surrogates of dissipation, since not all the terms can be measured. The analysis of surrogates is the main topic of this work. In particular two flows, the turbulent channel and the turbulent jet, are considered. These canonic flows, introduced in a brief fashion, are often used as a benchmark for CFD solvers and experimental equipment due to their simple structure. Observations made in the canonic flows are often transferable to more complicated and interesting cases, with many industrial applications. The main tools of investigation are DNS simulations and experimental measures. DNS data are used as a benchmark for the experimental results since all the components of dissipation are known within the numerical simulation. The results of some DNS were already available at the start of this thesis, so the main work consisted in reading and processing the data. Experiments were carried out by means of hot-wire anemometry, described in detail on a theoretical and practical level. The study of DNS data of a turbulent channel at Re=298 reveals that the traditional surrogate can be improved Consequently two new surrogates are proposed and analysed, based on terms of the velocity gradient that are easy to measure experimentally. We manage to find a formulation that improves the accuracy of surrogates by an order of magnitude. For the jet flow results from a DNS at Re=1600 of a temporal jet, and results from our experimental facility CAT at Re=70000, are compared to validate the experiment. It is found that the ratio between components of the dissipation differs between DNS and experimental data. Possible errors in both sets of data are discussed, and some ways to improve the data are proposed.

Studio preliminare di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità

In questo elaborato di tesi viene presentata la comparazione tra due codici CFD, rispettivamente Fluent e OpenFOAM, mediante simulazioni che sono alla base di uno studio numerico di flusso attorno ad un pantografo per treno ad alta velocità. Si è apprezzato quindi la facilità d’uso di un software venduto tramite licenza e la difficoltà di un software open source come OpenFOAM, il quale però ha vantaggi in termini di adattamento ai casi più specifici. Sono stati quindi studiati due casi, scambio termico in regime laminare attorno ad un cilindro bidimensionale e flusso turbolento completamente sviluppato in un canale. Tutte le simulazioni numeriche hanno raggiunto convergenza e sono state validate positivamente mediante confronto con dati sperimentali. Il primo caso prevede un cilindro investito da un flusso a temperatura minore rispetto alla temperatura della superficie del cilindro; per avere più riscontri, sono state condotte diverse prove a valori differenti del numero di Prandtl, e per ogni simulazione è stato ricavato il corrispettivo numero di Nusselt, successivamente comparato con i dati sperimentali per la validazione delle prove. A partire dalla creazione della griglia di calcolo, è stato effettuato uno studio del fenomeno in questione, creando così una griglia di calcolo sviluppata a valle del cilindro avente maggior densità di celle a ridosso della parte del cilindro. In aggiunta, svolgendo le prove con schemi numerici sia del primo che del secondo ordine, si è constatata la miglior sensibilità degli schemi numerici del secondo ordine rispetto a quelli del primo ordine. La seconda tipologia di simulazioni consiste in un flusso turbolento completamente sviluppato all’interno di un canale; sono state svolte simulazioni senza e con l’uso delle wall functions, e quindi usate griglie di calcolo differenti per i due tipi di simulazioni, già disponibili per entrambi i software. I dati ottenuti mostrano uno sforzo computazionale maggiore per le simulazioni che non prevedono l’uso delle wall functions, e quindi una maggiore praticità per le simulazioni con le wall functions. Inoltre, le simulazioni di questo secondo caso sono state svolte con diversi modelli di turbolenza; in Fluent sono stati utilizzati i modelli k-ε e RSM mentre in OpenFOAM è stato utilizzato solo il modello k-ε in quanto il modello RSM non è presente. La validazione dei risultati è affidata alla comparazione con i dati sperimentali ricavati da Moser et all mediante simulazioni DNS, mettendo in risalto la minor accuratezza delle equazioni RANS.

Modellazione CAD e ricostruzione virtuale di autobus pubblicitario d'epoca

L’oggetto della presente tesi è sviluppare la ricostruzione virtuale di un autobus pubblicitario progettato negli anni 50, un simbolo del design italiano legato allo sviluppo industriale del secondo dopoguerra. La tesi si sviluppa inizialmente con un’attività di ricerca e documentazione legata all'autobus, con particolare attenzione alla raccolta di immagini e disegni progettuali d’epoca, punto di partenza per la ricostruzione virtuale del mezzo. Si procede quindi alla modellazione CAD della carrozzeria cercando di replicare in modo quanto più dettagliato l’originale. Dal modello ottenuto, sono stati ricavati due prototipi di diverse dimensioni e materiali: un primo di dimensioni ridotte, realizzato tramite la tecnica del rapid prototyping, ed un secondo di dimensioni maggiori, in ureol fresato. Successivamente si procede ad uno studio preliminare di ricostruzione del mezzo con lo scopo di analizzare le principali problematiche di un’eventuale futura costruzione e messa in strada del mezzo. Tale studio parte dalla normativa vigente sulla costruzione e sulle norme di circolazione degli autobus, comprendente sia le leggi italiane sia comunitarie, riguardanti le caratteristiche dimensionali, prestazionali e di sicurezza che qualsiasi autobus con licenza di circolazione deve rispettare. Quindi verrà compiuta la scelta del telaio base da utilizzare tra quelli proposti dai maggiori costruttori europei e verrà realizzato il modello CAD anche del telaio con l’obiettivo di collegarlo alla carrozzeria e ottenere così il modello completo in tutte le sue parti. Per realizzare la scocca, verranno prese in esame le soluzioni costruttive più utilizzate dai progettisti di autobus, e viene svolto un breve studio riguardo i materiali utilizzabili a tale scopo. Sulla base di tali considerazioni si procederà alla modellazione della stessa. In ultimo si procede ad un preliminare studio fluidodinamico attraverso l’analisi CFD, e ad un preliminare studio del comportamento meccanico della struttura reticolare che sostiene la carrozzeria.

Studio e ricostruzione delle distribuzioni granulometriche interne al grano in motori a propellente solido

The main purposes of this essay were to investigate in detail the burning rate anomaly phenomenon, also known as "Hump Effect", in solid rocket motors casted in mandrel and the mechanisms at the base of it, as well as the developing of a numeric code, in Matlab environment, in order to obtain a forecasting tool to generate concentration and orientation maps of the particles within the grain. The importance of these analysis is due to the fact that the forecasts of ballistics curves in new motors have to be improved in order to reduce the amount of experimental tests needed for the characterization of their ballistic behavior. This graduate work is divided into two parts. The first one is about bidimensional and tridimensional simulations on z9 motor casting process. The simulations have been carried out respectively with Fluent and Flow 3D. The second one is about the analysis of fluid dynamic data and the developing of numeric codes which give information about the concentration and orientation of particles within the grain based on fluid strain rate information which are extrapolated from CFD software.

Testing of subgrid scale (SGS) models for large-eddy simulation (LES) of turbulent channel flow

Sub-grid scale (SGS) models are required in order to model the influence of the unresolved small scales on the resolved scales in large-eddy simulations (LES), the flow at the smallest scales of turbulence. In the following work two SGS models are presented and deeply analyzed in terms of accuracy through several LESs with different spatial resolutions, i.e. grid spacings. The first part of this thesis focuses on the basic theory of turbulence, the governing equations of fluid dynamics and their adaptation to LES. Furthermore, two important SGS models are presented: one is the Dynamic eddy-viscosity model (DEVM), developed by \cite{germano1991dynamic}, while the other is the Explicit Algebraic SGS model (EASSM), by \cite{marstorp2009explicit}. In addition, some details about the implementation of the EASSM in a Pseudo-Spectral Navier-Stokes code \cite{chevalier2007simson} are presented. The performance of the two aforementioned models will be investigated in the following chapters, by means of LES of a channel flow, with friction Reynolds numbers $Re_\tau=590$ up to $Re_\tau=5200$, with relatively coarse resolutions. Data from each simulation will be compared to baseline DNS data. Results have shown that, in contrast to the DEVM, the EASSM has promising potentials for flow predictions at high friction Reynolds numbers: the higher the friction Reynolds number is the better the EASSM will behave and the worse the performances of the DEVM will be. The better performance of the EASSM is contributed to the ability to capture flow anisotropy at the small scales through a correct formulation for the SGS stresses. Moreover, a considerable reduction in the required computational resources can be achieved using the EASSM compared to DEVM. Therefore, the EASSM combines accuracy and computational efficiency, implying that it has a clear potential for industrial CFD usage.