Numerical investigation of turbulent/non-turbulent interface

The subject of this work is the diffusion of turbulence in a non-turbulent flow. Such phenomenon can be found in almost every practical case of turbulent flow: all types of shear flows (wakes, jet, boundary layers) present some boundary between turbulence and the non-turbulent surround; all transients from a laminar flow to turbulence must account for turbulent diffusion; mixing of flows often involve the injection of a turbulent solution in a non-turbulent fluid. The mechanism of what Phillips defined as “the erosion by turbulence of the underlying non-turbulent flow”, is called entrainment. It is usually considered to operate on two scales with different mechanics. The small scale nibbling, which is the entrainment of fluid by viscous diffusion of turbulence, and the large scale engulfment, which entraps large volume of flow to be “digested” subsequently by viscous diffusion. The exact role of each of them in the overall entrainment rate is still not well understood, as it is the interplay between these two mechanics of diffusion. It is anyway accepted that the entrainment rate scales with large properties of the flow, while is not understood how the large scale inertial behavior can affect an intrinsically viscous phenomenon as diffusion of vorticity. In the present work we will address then the problem of turbulent diffusion through pseudo-spectral DNS simulations of the interface between a volume of decaying turbulence and quiescent flow. Such simulations will give us first hand measures of velocity, vorticity and strains fields at the interface; moreover the framework of unforced decaying turbulence will permit to study both spatial and temporal evolution of such fields. The analysis will evidence that for this kind of flows the overall production of enstrophy , i.e. the square of vorticity omega^2 , is dominated near the interface by the local inertial transport of “fresh vorticity” coming from the turbulent flow. Viscous diffusion instead plays a major role in enstrophy production in the outbound of the interface, where the nibbling process is dominant. The data from our simulation seems to confirm the theory of an inertially stirred viscous phenomenon proposed by others authors before and provides new data about the inertial diffusion of turbulence across the interface.

numerical problems in the calculation of electric field and charge density profiles for mass impregnated non-draining hvdc cables subjected to fast polarity reversals

The goal of this simulation thesis is to present a tool for studying and eliminating various numerical problems observed while analyzing the behavior of the MIND cable during fast voltage polarity reversal. The tool is built on the MATLAB environment, where several simulations were run to achieve oscillation-free results. This thesis will add to earlier research on HVDC cables subjected to polarity reversals. Initially, the code does numerical simulations to analyze the electric field and charge density behavior of a MIND cable for certain scenarios such as before, during, and after polarity reversal. However, the primary goal is to reduce numerical oscillations from the charge density profile. The generated code is notable for its usage of the Arithmetic Mean Approach and the Non-Uniform Field Approach for filtering and minimizing oscillations even under time and temperature variations.

Superfici di suddivisione: teoria, algoritmi ed applicazioni

Le superfici di suddivisione sono un ottimo ed importante strumento utilizzato principalmente nell’ambito dell’animazione 3D poichè consentono di definire superfici di forma arbitraria. Questa tecnologia estende il concetto di B-spline e permette di avere un’estrema libertà dei vincoli topologici. Per definire superfici di forma arbitraria esistono anche le Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) ma non lasciano abbastanza libertà per la costruzione di forme libere. Infatti, a differenza delle superfici di suddivisione, hanno bisogno di unire vari pezzi della superficie (trimming). La tecnologia NURBS quindi viene utilizzata prevalentemente negli ambienti CAD mentre nell’ambito della Computer Graphics si è diffuso ormai da più di 30 anni, l’utilizzo delle superfici di suddivisione. Lo scopo di questa tesi è quello di riassumere, quindi, i concetti riguardo questa tecnologia, di analizzare alcuni degli schemi di suddivisione più utilizzati e parlare brevemente di come questi schemi ed algoritmi vengono utilizzati nella realt`a per l’animazione 3D.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Mean curvature flow in SE (2) and applications to visual perception

Our goal in this thesis is to provide a result of existence of the degenerate non-linear, non-divergence PDE which describes the mean curvature flow in the Lie group SE(2) equipped with a sub-Riemannian metric. The research is motivated by problems of visual completion and models of the visual cortex.

Stability of the tunnel face reinforced by bolts under seepage flow conditions

Il presente lavoro tratta la stabilità del fronte di scavo, rinforzato con barre di consolidamento ed interessato da drenaggi in avanzamento, di gallerie sotto falda in rocce tenere o terreni. Tale studio è stato sviluppato dal progetto di Tesi attraverso l’analisi all’equilibrio limite che approssima il fronte di scavo con un rettangolo e considera un meccanismo di rottura composto da un cuneo, a tergo del fronte, caricato da un prisma. Il metodo descritto consente di tenere conto dell’effetto stabilizzante delle barre, mediante una distribuzione della pressione di supporto non uniforme. Nel caso di gallerie sotto falda, lo stesso metodo permette inoltre di considerare l’effetto destabilizzante dei gradienti idraulici. Sono state ricavate soluzioni analitiche per la valutazione della stabilità, ed implementate successivamente nel software di analisi numerica MATLAB. Dalle analisi condotte è emerso che il numero minimo di barre per garantire la stabilità del fronte di scavo è in molti casi elevato e risulta impossibile da porre in opera in terreni scarsamente coesivi o in gallerie sotto elevati battenti d’acqua. Per risolvere questa situazione si può prevedere l’inserimento di drenaggi in avanzamento, con lo scopo di diminuire i gradienti idraulici nei pressi del fronte della galleria. Il modello che descrive il nuovo andamento dei carichi idraulici, considerando la presenza di dreni, è stato realizzato con il software commerciale agli elementi finiti COMSOL. Una volta determinati gli andamenti dei carichi idraulici, sono stati condotti studi parametrici sull’effetto dei dreni combinato con gli elementi di rinforzo. Dopo tali analisi sono stati ricavati nomogrammi adimensionali che tengano conto della presenza contemporanea delle barre e dei dreni. Tali diagrammi costituiscono uno strumento utile e valido per la progettazione del rinforzo del fronte di scavo. Infine sono stati realizzati confronti fra casi di studio reali e risultati ottenuti dal modello.

Emissione non termica in ammassi di galassie: analisi di radiosorgenti diffuse

Gli ammassi di galassie (galaxy clusters) sono aggregati di galassie legate dalla forza di attrazione gravitazionale. Essi sono le più grandi strutture virializzate dell’Universo e la loro luminosità è dovuta alle galassie che li compongono e al cosiddetto intracluster medium (ICM), gas intergalattico in grado di raggiungere temperature di milioni di gradi. L’ICM è caratterizzato da emissioni sia di tipo termico che non termico, rispettivamente nella banda X e nella banda Radio, dovute soprattutto al meccanismo di bremsstrahlung termica e all’emissione di sincrotrone. Lo studio delle radiazioni emesse da questo gas primordiale ha permesso di studiare alcuni processi caratteristici nella dinamica degli ammassi di galassie, come i fenomeni di merger e cooling flow , e di ottenere quindi una maggiore comprensione della formazione ed evoluzione degli ammassi. Essendo le più grandi strutture dell’Universo che abbiano raggiunto l’equilibrio viriale, il loro studio risulta infatti molto importante, in quanto fornisce un valido strumento per la formulazione di un Modello Cosmologico. Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste in particolare nell'analisi di Aloni e Relitti radio, con maggiore approfondimento sui primi, e sulla ricerca di una correlazione della potenza Radio dei clusters sia con la loro luminosità nella banda X, che con la loro dimensione spaziale. La raccolta e l’elaborazione dei dati è stata svolta presso l’osservatorio di radioastronomia (ORA) situato nel CNR di Bologna.

Analisi di radiosorgenti diffuse presenti in ammassi di galassie attraverso lo studio di emissioni non termiche

In questo lavoro di tesi verrà affrontato uno studio sugli ammassi di galassie che costituiscono le strutture virializzate più grandi dell’Universo. L’analisi delle emissioni provenienti dall’ICM (Intracluster Medium) consente di ottenere informazioni su alcuni dei processi che caratterizzano la dinamica degli ammassi di galassie, come merger e cooling flow, e in particolare di testare le attuali ipotesi sulla formazione ed evoluzione degli ammassi. Le radiazioni provenienti dal gas extragalattico possono essere sia di tipo termico che non termico: le prime causate dal meccanismo di Bremsstrahlung termica e appartenenti alla banda X, le seconde invece dovute prevalentemente dall’emissione di Sincrotrone in banda Radio. Durante lo studio degli ammassi di galassie verranno approfondite le principali radiosorgenti diffuse: Aloni, mini-Aloni e Relitti, focalizzando lo studio su questi ultimi e analizzando un campione di dati ad essi relativi, con lo scopo di trovare un’eventuale correlazione tra alcune delle loro proprietà. La ricerca sugli ammassi di galassie risulta importante in quanto, trattandosi delle più grandi strutture dell’Universo che abbiano raggiunto l’equilibrio viriale, il loro studio risulta un valido strumento per la verifica dell’attuale Modello Cosmologico.

Multiphase flow in porous media: meta-modeling techniques for sensitivity analysis and risk assessment

One of the biggest challenges that contaminant hydrogeology is facing, is how to adequately address the uncertainty associated with model predictions. Uncertainty arise from multiple sources, such as: interpretative error, calibration accuracy, parameter sensitivity and variability. This critical issue needs to be properly addressed in order to support environmental decision-making processes. In this study, we perform Global Sensitivity Analysis (GSA) on a contaminant transport model for the assessment of hydrocarbon concentration in groundwater. We provide a quantification of the environmental impact and, given the incomplete knowledge of hydrogeological parameters, we evaluate which are the most influential, requiring greater accuracy in the calibration process. Parameters are treated as random variables and a variance-based GSA is performed in a optimized numerical Monte Carlo framework. The Sobol indices are adopted as sensitivity measures and they are computed by employing meta-models to characterize the migration process, while reducing the computational cost of the analysis. The proposed methodology allows us to: extend the number of Monte Carlo iterations, identify the influence of uncertain parameters and lead to considerable saving computational time obtaining an acceptable accuracy.

Development of an innovative non rule-based energy management strategy for a Hybrid Electric Vehicle, structured for predictive driving controls based on external information knowledge

Recently, the interest of the automotive market for hybrid vehicles has increased due to the more restrictive pollutants emissions legislation and to the necessity of decreasing the fossil fuel consumption, since such solution allows a consistent improvement of the vehicle global efficiency. The term hybridization regards the energy flow in the powertrain of a vehicle: a standard vehicle has, usually, only one energy source and one energy tank; instead, a hybrid vehicle has at least two energy sources. In most cases, the prime mover is an internal combustion engine (ICE) while the auxiliary energy source can be mechanical, electrical, pneumatic or hydraulic. It is expected from the control unit of a hybrid vehicle the use of the ICE in high efficiency working zones and to shut it down when it is more convenient, while using the EMG at partial loads and as a fast torque response during transients. However, the battery state of charge may represent a limitation for such a strategy. That’s the reason why, in most cases, energy management strategies are based on the State Of Charge, or SOC, control. Several studies have been conducted on this topic and many different approaches have been illustrated. The purpose of this dissertation is to develop an online (usable on-board) control strategy in which the operating modes are defined using an instantaneous optimization method that minimizes the equivalent fuel consumption of a hybrid electric vehicle. The equivalent fuel consumption is calculated by taking into account the total energy used by the hybrid powertrain during the propulsion phases. The first section presents the hybrid vehicles characteristics. The second chapter describes the global model, with a particular focus on the energy management strategies usable for the supervisory control of such a powertrain. The third chapter shows the performance of the implemented controller on a NEDC cycle compared with the one obtained with the original control strategy.

Influence of free-radical functionalization on non-woven filtering media for medical application

Nowadays the leukodepletion is one of the most important processes done on the blood in order to reduce the risk of transfusion diseases. It can be performed through different techniques but the most popular one is the filtration due to its simplicity and efficiency. This work aims at improving a current commercial product, by developing a new filter based on Fenton-type reaction to cross-link a hydrogel on to the base material. The filters for leukodepletion are preferably made through the melt flow technique resulting in a non-woven tissue; the functionalization should increase the stability of the filter restricting the extraction of substances to minimum amount when in contact with blood. Through the modification the filters can acquire new properties including wettability, surface charge and good resistance to the extractions. The most important for leukodepletion is the surface charge due to the nature of the filtration process. All the modified samples results have been compared to the commercial product. Three different polymers (A, B and C) have been studied for the filter modifications and every modified filter has been tested in order to determine its properties.

Tutte's 5-flow conjecture

The aim of this thesis is to show and put together the results, obtained so far, useful to tackle a conjecture of graph theory proposed in 1954 by William Thomas Tutte. The conjecture in question is Tutte's 5-flow conjecture, which states that every bridgeless graph admits a nowhere-zero 5-flow, namely a flow with non-zero integer values between -4 and 4. We will start by giving some basics on graph theory, useful for the followings, and proving some results about flows on oriented graphs and in particular about the flow polynomial. Next we will treat two cases: graphs embeddable in the plane $\mathbb{R}^2$ and graphs embeddable in the projective plane $\mathbb{P}^2$. In the first case we will see the correlation between flows and colorings and prove a theorem even stronger than Tutte's conjecture, using the 4-color theorem. In the second case we will see how in 1984 Richard Steinberg used Fleischner's Splitting Lemma to show that there can be no minimal counterexample of the conjecture in the case of graphs in the projective plane. In the fourth chapter we will look at the theorems of François Jaeger (1976) and Paul D. Seymour (1981). The former proved that every bridgeless graph admits a nowhere-zero 8-flow, the latter managed to go even further showing that every bridgeless graph admits a nowhere-zero 6-flow. In the fifth and final chapter there will be a short introduction to the Tutte polynomial and it will be shown how it is related to the flow polynomial via the Recipe Theorem. Finally we will see some applications of flows through the study of networks and their properties.

Multi-scalar critical theories: first steps for a non perturbative functional renormalization group analysis

In this work the fundamental ideas to study properties of QFTs with the functional Renormalization Group are presented and some examples illustrated. First the Wetterich equation for the effective average action and its flow in the local potential approximation (LPA) for a single scalar field is derived. This case is considered to illustrate some techniques used to solve the RG fixed point equation and study the properties of the critical theories in D dimensions. In particular the shooting methods for the ODE equation for the fixed point potential as well as the approach which studies a polynomial truncation with a finite number of couplings, which is convenient to study the critical exponents. We then study novel cases related to multi field scalar theories, deriving the flow equations for the LPA truncation, both without assuming any global symmetry and also specialising to cases with a given symmetry, using truncations based on polynomials of the symmetry invariants. This is used to study possible non perturbative solutions of critical theories which are extensions of known perturbative results, obtained in the epsilon expansion below the upper critical dimension.

Analysis and optimisation of books flow among branches through simulation: the case of Trondheim’s Public Library

Il presente lavoro di tesi verte sull’analisi e l’ottimizzazione dei flussi di libri generati tra le diverse sedi della biblioteca pubblica, Trondheim folkebibliotek, situata a Trondheim, città del nord norvegese. La ricerca si inserisce nell’ambito di un progetto pluriennale, SmartLIB, che questa sta intraprendendo con l’università NTNU - Norwegian University of Science and Technology. L’obiettivo di questa tesi è quello di analizzare possibili soluzioni per ottimizzare il flusso di libri generato dagli ordini dei cittadini. Una prima fase di raccolta ed analisi dei dati è servita per avere le informazioni necessarie per procedere nella ricerca. Successivamente è stata analizzata la possibilità di ridurre i flussi andando ad associare ad ogni dipartimento la quantità di copie necessarie per coprire il 90% della domanda, seguendo la distribuzione di Poisson. In seguito, sono state analizzate tre soluzioni per ottimizzare i flussi generati dai libri, il livello di riempimento dei box ed il percorso del camion che giornalmente visita tutte le sedi della libreria. Di supporto per questo secondo studio è stato il Vehicle Routing Problem (VRP). Un modello simulativo è stato creato su Anylogic ed utilizzato per validare le soluzioni proposte. I risultati hanno portato a proporre delle soluzioni per ottimizzare i flussi complessivi, riducendo il delay time di consegna dei libri del 50%, ad una riduzione del 53% del flusso di box e ad una conseguente aumento del 44% del tasso di riempimento di ogni box. Possibili future implementazioni delle soluzioni trovate corrispondono all’installazione di una nuova Sorting Machine nella sede centrale della libreria ed all’implementazione sempre in quest’ultima di un nuovo schedule giornaliero.

Heat-transfer enhancement with pulsed jets in turbulent pipe flow at high-Reynolds number

Improving heat transfer is a critical area of ​​research in various fields such as thermal engineering, energy conversion and aeronautical engineering. The aim of this thesis is to present the design, construction and testing of an experimental setup for the study of heat transfer enhancement in a turbulent boundary layer using cross-flow pulsed jets. The set-up is designed to generate and control pulsed jets, measure heat transfer and acquire all parameters related to wind tunnel flow and is also capable of varying the parameters of the pulsed jets, such as frequency, amplitude and the duty cycle, in order to study the effects on the increase in heat transfer. The thesis describes the design phases, the construction process and the final successful testing of the plant. The test results verify the functionality and accuracy of the set-up and ensure that it can be used to perform a full experimental campaign to investigate heat transfer enhancement using cross-flow pulsed jets in a turbulent layer boundary.