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.

A multi-objective genetic algorithm optimisation using variable speed pumps in water distribution systems

Due to its practical importance and inherent complexity, the optimisation of distribution networks for supplying drinking water has been the subject of extensive study for the past 30 years. The optimization is governed by sizing the pipes in the water distribution network (WDN) and / or optimises specific parts of the network such as pumps, tanks etc. or try to analyse and optimise the reliability of a WDN. In this thesis, the author has analysed two different WDNs (Anytown City and Cabrera city networks), trying to solve and optimise a multi-objective optimisation problem (MOOP). The main two objectives in both cases were the minimisation of Energy Cost (€) or Energy consumption (kWh), along with the total Number of pump switches (TNps) during a day. For this purpose, a decision support system generator for Multi-objective optimisation used. Its name is GANetXL and has been developed by the Center of Water System in the University of Exeter. GANetXL, works by calling the EPANET hydraulic solver, each time a hydraulic analysis has been fulfilled. The main algorithm used, was a second-generation algorithm for multi-objective optimisation called NSGA_II that gave us the Pareto fronts of each configuration. The first experiment that has been carried out was the network of Anytown city. It is a big network with a pump station of four fixed speed parallel pumps that are boosting the water dynamics. The main intervention was to change these pumps to new Variable speed driven pumps (VSDPs), by installing inverters capable to diverse their velocity during the day. Hence, it’s been achieved great Energy and cost savings along with minimisation in the number of pump switches. The results of the research are thoroughly illustrated in chapter 7, with comments and a variety of graphs and different configurations. The second experiment was about the network of Cabrera city. The smaller WDN had a unique FS pump in the system. The problem was the same as far as the optimisation process was concerned, thus, the minimisation of the energy consumption and in parallel the minimisation of TNps. The same optimisation tool has been used (GANetXL).The main scope was to carry out several and different experiments regarding a vast variety of configurations, using different pump (but this time keeping the FS mode), different tank levels, different pipe diameters and different emitters coefficient. All these different modes came up with a large number of results that were compared in the chapter 8. Concluding, it should be said that the optimisation of WDNs is a very interested field that has a vast space of options to deal with. This includes a large number of algorithms to choose from, different techniques and configurations to be made and different support system generators. The researcher has to be ready to “roam” between these choices, till a satisfactory result will convince him/her that has reached a good optimisation point.

Non-Gaussianities from a sudden change in the inflaton speed of sound

Il concetto di inflazione e' stato introdotto nei primi anni ’80 per risolvere alcuni problemi del modello cosmologico standard, quali quello dell’orizzonte e quello della piattezza. Le predizioni dei piu' semplici modelli inflazionari sono in buon accordo con le osservazioni cosmologiche piu'recenti, che confermano sezioni spaziali piatte e uno spettro di fluttuazioni primordiali con statistica vicina a quella gaussiana. I piu' recenti dati di Planck, pur in ottimo accordo con una semplice legge di potenza per lo spettro a scale k > 0.08 Mpc−1 , sembrano indicare possibili devi- azioni a scale maggiori, seppur non a un livello statisticamente significativo a causa della varianza cosmica. Queste deviazioni nello spettro possono essere spiegate da modelli inflazionari che includono una violazione della condizione di lento rotolamento (slow-roll ) e che hanno precise predizioni per lo spettro. Per uno dei primi modelli, caratterizzato da una discontinuita' nella derivata prima del potenziale proposto da Starobinsky, lo spettro ed il bispettro delle fluttuazioni primordiali sono noti analiticamente. In questa tesi estenderemo tale modello a termini cinetici non standard, calcolandone analiticamente il bispettro e confrontando i risultati ottenuti con quanto presente in letteratura. In particolare, l’introduzione di un termine cinetico non standard permettera' di ottenere una velocita' del suono per l’inflatone non banale, che consentira' di estendere i risultati noti, riguardanti il bispettro, per questo modello. Innanzitutto studieremo le correzioni al bispettro noto in letteratura dovute al fatto che in questo caso la velocita' del suono e' una funzione dipendente dal tempo; successivamente, cercheremo di calcolare analiticamente un ulteriore contributo al bispettro proporzionale alla derivata prima della velocita' del suono (che per il modello originale e' nullo).

Elaborazione di Big Data: un’applicazione dello Speed Layer di Lambda Architecture

I Big Data hanno forgiato nuove tecnologie che migliorano la qualità della vita utilizzando la combinazione di rappresentazioni eterogenee di dati in varie discipline. Occorre, quindi, un sistema realtime in grado di computare i dati in tempo reale. Tale sistema viene denominato speed layer, come si evince dal nome si è pensato a garantire che i nuovi dati siano restituiti dalle query funcions con la rapidità in cui essi arrivano. Il lavoro di tesi verte sulla realizzazione di un’architettura che si rifaccia allo Speed Layer della Lambda Architecture e che sia in grado di ricevere dati metereologici pubblicati su una coda MQTT, elaborarli in tempo reale e memorizzarli in un database per renderli disponibili ai Data Scientist. L’ambiente di programmazione utilizzato è JAVA, il progetto è stato installato sulla piattaforma Hortonworks che si basa sul framework Hadoop e sul sistema di computazione Storm, che permette di lavorare con flussi di dati illimitati, effettuando l’elaborazione in tempo reale. A differenza dei tradizionali approcci di stream-processing con reti di code e workers, Storm è fault-tolerance e scalabile. Gli sforzi dedicati al suo sviluppo da parte della Apache Software Foundation, il crescente utilizzo in ambito di produzione di importanti aziende, il supporto da parte delle compagnie di cloud hosting sono segnali che questa tecnologia prenderà sempre più piede come soluzione per la gestione di computazioni distribuite orientate agli eventi. Per poter memorizzare e analizzare queste moli di dati, che da sempre hanno costituito una problematica non superabile con i database tradizionali, è stato utilizzato un database non relazionale: HBase.

Experimental determination of burning velocity in metal dust explosions

The modeling of metal dust explosion phenomenon is important in order to safeguard industries from potential accidents. A key parameter of these models is the burning velocity, which represents the consumption rate of the reactants by the flame front, during the combustion process. This work is focused on the experimental determination of aluminium burning velocity, through an alternative method, called "Direct method". The study of the methods used and the results obtained is preceded by a general analysis on dust explosion phenomenon, flame propagation phenomenon, characteristics of the metals combustion process and standard methods for determining the burning velocity. The “Direct method” requires a flame propagating through a tube recorded by high-speed cameras. Thus, the flame propagation test is carried out inside a vertical prototype made of glass. The study considers two optical technique: the direct visualization of the light emitted by the flame and the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. These techniques were used simultaneously and allow the determination of two velocities: the flame propagation velocity and the flow velocity of the unburnt mixture. Since the burning velocity is defined by these two quantities, its direct determination is done by substracting the flow velocity of the fresh mixture from the flame propagation velocity. The results obtained by this direct determination, are approximated by a linear curve and different non-linear curves, which show a fluctuating behaviour of burning velocity. Furthermore, the burning velocity is strongly affected by turbulence. Turbulence intensity can be evaluated from PIV technique data. A comparison between burning velocity and turbulence intensity highlighted that both have a similar trend.

Numerical Analysis and Redesign of a High Speed Linear Cascade Wind Tunnel for Aircraft Gas Turbine Engines Testing

Linear cascade testing serves a fundamental role in the research, development, and design of turbomachines as it is a simple yet very effective way to compute the performance of a generic blade geometry. These kinds of experiments are usually carried out in specialized wind tunnel facilities. This thesis deals with the numerical characterization and subsequent partial redesign of the S-1/C Continuous High Speed Wind Tunnel of the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The current facility is powered by a 13-stage axial compressor that is not powerful enough to balance the energy loss experienced when testing low turning airfoils. In order to address this issue a performance assessment of the wind tunnel was performed under several flow regimes via numerical simulations. After that, a redesign proposal aimed at reducing the pressure loss was investigated. This consists of a linear cascade of turning blades to be placed downstream of the test section and designed specifically for the type of linear cascade being tested. An automatic design procedure was created taking as input parameters those measured at the outlet of the cascade. The parametrization method employed Bézier curves to produce an airfoil geometry that could be imported into a CAD software so that a cascade could be designed. The proposal was simulated via CFD analysis and proved to be effective in reducing pressure losses up to 41%. The same tool developed in this thesis could be adopted to design similar apparatuses and could also be optimized and specialized for the design of turbomachines components.

Application of the Extended Kalman filter for speed sensorless control of PM synchronous machines

The increasing interest in the decarbonization process led to a rapidly growing trend of electrification strategies in the automotive industry. In particular, OEMs are pushing towards the development and production of efficient electric vehicles. Moreover, research on electric motors and their control are exploding in popularity. The increase of computational power in embedded control hardware is allowing the development of new control algorithm, such as sensorless control strategy. Such control strategy allows the reduction of the number of sensors, which implies reduced costs and increased system reliability. The thesis objective is to realize a sensorless control for high-performance automotive motors. Several algorithms for rotor angle observers are implemented in the MATLAB and Simulink environment, with emphasis on the Kalman observer. One of the Kalman algorithms already available in the literature has been selected, implemented and benchmarked, with emphasis on its comparison with the Sliding Mode observer. Different models characterized by increasing levels of complexity are simulated. A simplified synchronous motor with ”constant parameters”, controlled by an ideal inverter is first analyzed; followed by a complete model defined by real motor maps, and controlled by a switching inverter. Finally, it was possible to test the developed algorithm on a real electric motor mounted on a test bench. A wide range of different electric motors have been simulated, which led to an exhaustive review of the sensorless control algorithm. The final results underline the capability of the Kalman observer to effectively control the motor on a real test bench.

Experimental and numerical characterization of flame instability in hydrogen-containing flames

In the framework of the energy transition, the acquisition of proper knowledge of fundamental aspects characterizing the use of alternative fuels is paramount as well as the development of optimized know-how and technologies. In this sense, the use of hydrogen has been indicated as a promising route for decarbonization at the end-users stage in the energy supply chain. However, the elevated reactivity and the low-density at atmospheric conditions of hydrogen pose new challenges. Among the others, the dilution of hydrogen with carbon dioxide from carbon capture and storage systems represents a possible route. However, the interactions between these species have been poorly studied so far. For these reasons, this thesis, in collaboration between the University of Bologna and Technische Universität Bergakademie of Freiberg in Saxony (Germany), investigates the laminar flame of hydrogen-based premixed gas with the dilution of carbon dioxide. An experimental system, called a heat flux burner, was adopted ad different operating conditions. The presence of the cellularity phenomenon, forming the so-called cellular flame, was observed and analysed. Theoretical and visual methods have allowed for the characterization of the investigated flames, opening new alternatives for sustainable energy production via hydrogen transformation.