Definizione e analisi delle mappe di prestazione di un turboalbero aeronautico

Nel presente lavoro di tesi, in seguito ad acquisizioni di dati effettuate nella sala prove del "Laboratorio di Macchine e Propulsione" della Scuola di Ingegneria e Architettura di Forlì sul turboshaft Allison 250 C18, in una prima fase sono state ricavate le mappe prestazionali dei singoli componenti del motore, elaborando i dati sperimentali in ambiente MatLab. Le acquisizioni sono state effettuate mediante l'utilizzo di sensori di pressione, temperatura e velocità installati in precedenza sul motore e opportunamente calibrati. In seguito alla realizzazione delle mappe prestazionali, si è passati all'allestimento completo di un modello dinamico in ambiente Simulink, del motore Allison 250 C18. Tale modello riproduce, in opportuni blocchi, ciascun componente facente parte della motorizzazione. Ogni blocco riceve in ingresso le caratteristiche fisiche di interesse del flusso (temperatura, pressione, calore specifico a pressione costante e gamma) provenienti dal blocco precedente tramite un "filo", le rielabora al suo interno risolvendo le equazioni tipiche di ciascun componente e interpolando le mappe di prestazione ricavate precedentemente in MatLab, e le invia come input al blocco successivo o in retroazione ai blocchi precedenti. In ogni blocco è stato realizzato un sistema di dinamica di pressione che, ad ogni istante, risolve un'equazione differenziale dipendente dalla differenza di portata a monte e a valle di un componente e dal volume di controllo, che restituisce il valore di pressione in uscita proporzionale alla variazione di portata stessa. Nel presente lavoro di tesi si è cercato di stabilizzare questo complesso sistema in una condizione di progetto, fissata a 30000 rpm del gruppo gas generator. Un sistema di controllo del numero di giri tramite variazione di portata di combustibile è stato realizzato al fine di poter, in futuro, far funzionare il modello anche fuori dalla condizione di progetto e riuscire a simulare l'andamento delle prove sperimentali reali.

Validazione preliminare del modello dinamico di un turboalbero aeronautico

Il bisogno di creare dei metodi per l’identificazione delle performance e strumenti di diagnosi è sempre maggiore nelle turbomacchine. Le case costruttrici di motori, in generale, sono guidate dalle richieste del mercato e da normative sempre più severe, e ricercano quindi da un lato, sempre migliori prestazioni come ad esempio la diminuzione dei consumi e, dall’altro, l’abbattimento degli agenti inquinanti. In ambito industriale si ha l’esigenza di rendere più rapidi i tempi di progettazione e sviluppo dei motori per l’abbattimento dei costi di progettazione e per minimizzare il tempo di commercializzazione. Ecco perché entra in gioco, ed assume importanza, l’uso della simulazione numerica che fornisce informazioni utili sia in fase di verifica, che in fase di progetto di tutti i componenti del motore, anche quelli che sarebbero difficilmente accessibili per misure sperimentali. Al contempo i calcolatori moderni diventano facilmente e rapidamente sempre più potenti riducendo così i tempi di calcolo, e ciò ha consentito l’uso di tecniche numeriche che prima sarebbero risultate impensabili da utilizzare. Per mezzo dell’uso di codici di tipo bi o tri-dimensionale è possibile conoscere e valutare i valori delle grandezze termodinamiche del fluido che attraversa il motore punto per punto. Questi metodi presentano un elevata accuratezza ma hanno anche lo svantaggio di richiedere un elevato costo computazionale con conseguente aumento dei tempi di calcolo. In più hanno bisogno di molti dati di input per il modello matematico, e dipendono fortemente dalle condizioni iniziali e dalle condizioni al contorno. Nasce quindi l'esigenza di un ambiente di sviluppo che consenta una modellazione semplificata degli elementi costituenti il motore, ed un rapido interfacciamento con modelli locali più sofisticati. Inoltre, se si vogliono ottimizzare dei parametri relativi all’impianto globale oppure se si desidera avere un quadro generale delle prestazioni del motore è sufficiente usare modelli 0-D e 1-D per i vari componenti del motore. Sono stati svolti molti studi concentrati sullo sviluppo di strumenti capaci di supportare operazioni di pianificazione e/o per validare analisi di diagnosi.

Studio, sviluppo e codifica di un modello dinamico per la gestione del mix produttivo di piattaforme di prodotto

Con le crescenti esigenze di personalizzazione, la capacità di prevedere con precisione la domanda di un numero sempre maggiore di prodotti è diventata una delle caratteristiche fondamentali che l’azienda manufatturiera moderna deve possedere. L’esigenza dunque di fornire una gamma di prodotti sempre più vasta, contenendo i costi associati alla realizzazione e alla giacenza dei prodotti finiti e contemporaneamente riducendo al minimo i tempi di risposta alla domanda, non viene pienamente soddisfatta da nessuna delle due politiche produttive che rappresentano i due approcci più classici, ossia le due strategie Make-To-Stock (MTS) e Make-To-Order (MTO). Per rispondere a questa esigenza di personalizzazione è stata proposta un’ulteriore politica produttiva nota come Delayed Product Differentiation (DPD) basata sul concetto delle piattaforme di prodotto, ossia delle strutture comuni a più prodotti diversi che, tramite l’aggiunta dei componenti, permettono di ottenere la gamma di prodotti finali richiesti. Il seguente lavoro di tesi si pone lo scopo di studiare, tramite un algoritmo ideato e sviluppato con l’ausilio del linguaggio di programmazione di Matlab, il caso di un sistema che già adotta l’approccio DPD per riuscire a trovare una soluzione al problema di estendere il catalogo iniziale degli articoli presenti, avendo una lista di prodotti nuovi da analizzare e dovendo scegliere quali aggiungere e quali invece eliminare, stabilendo come modificare le piattaforme per l’aggiunta di essi.

Validazione di un modello real-time di un turboalbero aeronautico

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare e validare un modello del propulsore Allison 250 c18 realizzato in Simulink. In particolare utilizzando i dati provenienti da prove sperimentali effettuate al banco prova del laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Archittetura vengono dapprima create le mappe prestazionali dei singoli componenti. Esse sono poi implementate all'interno del modello in Simulink, realizzato con struttura modulare a blocchi permettendo il modellamento di ogni singolo componente del motore. Successivamente i dati provenienti dalle simulazioni sono confrontati con i dati sperimentali, riscontrando risultati soddisfacenti. In ultimo si riporta brevemente una descrizione della compilazione del modello da utilizzare in una interfaccia LabVIEW per verificarne il funzionamento del modello in real-time.

Modellazione del comportamento di un compressore aeronautico in condizioni di funzionamento con fogging

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare un modello, prima statico poi dinamico, dei componenti: imbocco e gruppo compressore, del turboalbero Allison 250 C18 sottoposto alla tecnologia del fogging. I dati sperimentali utilizzati provengono da prove sperimentali svolte da un altro tesista nel laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Architettura di Forlì. Grazie al modello statico, realizzato con il software MATLAB®, sono state create le principali mappe prestazionali dei singoli componenti. Queste ultime sono state poi implementate all'interno del modello dinamico realizzato con il software Simulink. Attraverso il modello dinamico, siamo stati in grado di osservare, grazie ad una struttura modulare a blocchi, l'andamento delle grandezze anche in regime transitorio, e di cambiare i parametri di inizializzazione in maniera molto rapida. Infine i dati ottenuti sono stati confrontati con i dati sperimentali e sono state effettuate valutazioni sull'utilità o meno del fogging. Entrambe le conclusioni hanno dato buoni risultati.

Simulazioni preliminari per la conversione di un motore turboalbero aeronautico al funzionamento ad idrogeno

Nella presente tesi si è realizzato uno sviluppo di base per l'implementazione di un motore turboalbero aeronautico all’utilizzo ad idrogeno. La parte iniziale dell'elaborato descrive le caratteristiche e i benefici dell’utilizzo di questo combustibile innovativo e riporta, poi, le principali modifiche hardware, presenti in letteratura, necessarie per l’implementazione voluta su un motore fisico. Vengono, poi, illustrati i modelli di combustori necessari per un corretto funzionamento del sistema propulsivo, oltre all’eventuale necessità di uno scambiatore di calore. Nella parte centrale della tesi, invece, é descritta la conversione di un modello MatLab Simulink del motore Allison 250 c18, esplicando e documentando le principali modifiche apportate riguardo alla creazione delle mappe del modello dinamico utile a ricavare le caratteristiche termodinamiche del flusso in camera di combustione e all'uscita da essa. Viene inoltre mostrato il metodo di utilizzo degli script CEA forniti dalla NASA, valido per desumere le proprietà dei gas post combustione, oltre che per la creazione delle funzioni di interpolazioni. Sono state svolte, infine, diverse simulazioni, con lo scopo di ricavare le portate corrette di combustibile ed osservare gli andamenti dei parametri fondamentali del sistema propulsivo, come: le portate elaborate, le potenze generate, le temperature e le pressioni ottenute.

Modello 0-dimensionale di motore a combustione interna e veicolo per applicazioni real-time

La presenta tesi ha come obiettivo la modellazione, tramite il software Matlab Simulink, di un motore a combustione interna ad accensione comandata nelle sue parti fondamentali ed il relativo veicolo. Le parti modellate inerenti al gruppo termico sono quelle di produzione coppia, il sistema di aspirazione con un modello statico e uno dinamico ed, infine, il sistema di scarico. Per quanto riguarda la parte veicolo si implementa la dinamica della driveline e quella longitudinale del mezzo stesso. Il simulatore deve essere costituito da un layout modulare e ha come ipotesi fondamentale quella di poter lavorare in real-time, quindi si utilizza un modello zero-dimensionale e con valori costanti all'interno di un singolo ciclo motore. In conclusione, viene mostrato come implementare il modello in un sistema SIL per poterne testare il funzionamento in tempo reale e visualizzare i risultati da esso prodotti.

Sviluppo di un modello Simulink per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria

Obiettivo di questo progetto di tesi è la realizzazione di un modello per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria: l’elettrificazione in ambito automotive richiede un approfondito studio delle problematiche termiche allo scopo di incrementare l’efficienza del veicolo, le performance e la vita della batteria. In particolare, l’oggetto di ricerca consiste nella modellazione di una pompa di calore. Partendo dalla definizione dei requisiti e degli obiettivi del sistema di gestione termica, ogni componente della pompa di calore viene analizzato modellato e connesso all’intero sistema. La modellazione è stata affrontata mediante l’utilizzo dell’ambiente MATLAB/Simulink. Il primo passo è stato avanzato nell’analisi del ciclo termodinamico ideale, analizzando il comportamento di vari fluidi frigorigeni, la funzionalità dei singoli componenti e l’interazione di quest’ultimi al variare delle condizioni di funzionamento, principalmente potenze scambiate, pressioni, temperature e portata massica di refrigerante. Il principale lavoro di simulazione è legato alla realizzazione di un modello configurabile dell’intero apparato di gestione termica della batteria per un veicolo elettrico. Per mezzo dello studio delle relazioni termodinamiche dei componenti principali del ciclo frigorifero sono state valutate tutte le grandezze che variano durante le trasformazioni che compie il fluido refrigerante all’interno del ciclo frigorifero. L’attività di validazione del modello implementato è stata svolta mediante il confronto tra le condizioni del fluido refrigerante determinate mediante le relazioni termodinamiche e quelle ottenute valutando le trasformazioni sui diagrammi di stato dei fluidi frigorigeni trattati. Il modello implementato è da ritenersi primordiale nel contesto legato alla modellazione e controllo dei sistemi di gestione termica per i sistemi propulsivi dei veicoli elettrici a batteria.

Sviluppo di un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si

Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di implementare un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si in regime statico e dinamico, mediante l’identificazione e l’ottimizzazione dei parametri caratteristici del modello di Jiles-Atherton. Tale fine è stato perseguito attraverso l’uso del software di calcolo Matlab-Simulink. Il modello, validato mediante i dati reperibili in letteratura, permette di simulare la curva di prima magnetizzazione e il ciclo di isteresi per materiali ferromagnetici soft mediante la conoscenza di un set limitato di dati sperimentali ricavabili dalle prove magnetiche. Il modello è stato impiegato per eseguire la simulazione anche su campioni prodotti industrialmente in acciaio al silicio a grano non orientato forniti allo stato fully-processed M470-50A preventivamente sottoposti a caratterizzazione microstrutturale, mediante microscopia ottica, elettronica e analisi EBSD, e meccanica, attraverso le prove di trazione. I risultati ottenuti dalla simulazione presentano ottimale accuratezza, in particolar modo nel caso statico sia in termini di estrazione dei parametri sia di definizione del ciclo; risulta ancora da migliorare ulteriormente il grafico in frequenza. Al fine di rendere fruibile il modello realizzato è stata progettata una Graphical User Interface. Nell’ottica di una mobilità green in accordo con gli obiettivi globali, l’implementazione del presente modello pone quindi le basi per uno studio futuro del comportamento dei materiali magnetici per la realizzazione di motori elettrici sempre più performanti in funzione dei parametri di produzione e delle condizioni di utilizzo, aspetti che incidono notevolmente sulle proprietà di tale materiale.

Sviluppo di una strategia per l’individuazione di squilibri di titolo tra cilindri di un motore a combustione interna

L’oggetto di questa tesi è l’individuazione di un metodo in grado di rilevare uno squilibrio cilindrico rilevante in un motore a combustione interna ad accensione comandata, sovralimentato dinamicamente. Il progetto si basa sull’osservazione sperimentale di un forte incremento dei valori assunti da indici basati sulla differenza dei tempi dente della ruota fonica, al manifestarsi di un brusco squilibrio di titolo in uno dei quattro cilindri. Ciò ha permesso di rilevare eventuali sbilanciamenti di titolo mediante una diagnosi intrusiva in grado di esaltarli. Questa metodologia a differenza di quelle basate sul segnale proveniente dalla sonda lambda, non risente del problema del mixing dei pacchetti di gas combusti all’interno della turbina. Il lavoro di tesi è consistito nel concepire un indice di rilevamento capace di esaltare il fenomeno sopra descritto, nel creare in ambiente Matlab-Simulink un modello che simuli la strategia in questione e renda possibile la realizzazione di un prototipo, per mezzo del quale è stata validata la strategia a bordo del veicolo. This thesis proposes a methodology to detect a relevant cylinder imbalance by means of flywheel speed fluctuation analysis in a turbocharged internal combustion engine. The main idea behind this project is the evidence that every time a significant cylinder imbalance is present, it is noticed an important increase of index based on tooth time sampled via flywheel. For this reason, it is possible to develop an intrusive strategy, which higliaghts a possible cylinder imbalance presence, in order to detect it. This method, unlike others based on the signal coming from Lambda sensor, doesn’t suffer from the presence of exhaust gases mixing effect inside the turbine. The objective of this thesis is to conceive a detection index able to put in evidence the phenomena described above, and to design a model inside the Matlab-Simulink environment, able to simulate the strategy and to make possible tests on the vehicle by means of a prototype.

Caratterizzazione e simulazione di un generatore eolico di piccole dimensioni

Durante gli ultimi anni sta avendo sempre più rilevanza il problema del cambiamento climatico, dovuto principalmente all’emissione in atmosfera di gas serra. Una delle soluzioni da adottare è una transizione energetica verso fonti di energia rinnovabili e una progressiva elettrificazione di tutte le tecnologie che utilizzano ancora combustibili fossili. L’obiettivo di questa tesi di Laurea è analizzare e implementare un semplice modello in MATLAB/Simulink di una turbina eolica, conoscendo solo i dati di targa del generatore, la curva di potenza della turbina e avendo a disposizione dei dati reali di velocità del vento, potenza prodotta e velocità di rotore. Il progetto quindi consiste in un lavoro di reverse engineering in cui, partendo dai componenti reali, si cerca di ricavare, in maniera empirica e sperimentale, i parametri che ne caratterizzano il modello matematico. Successivamente è stato implementato un modello su Simulink, partendo da un modello già esistente, in cui si è simulato il comportamento della macchina, ottenendo una stima della potenza prodotta.

Implementazione di una nuova metodologia per la simulazione di un motore sovralimentato ad alte prestazioni

In questo lavoro verrà analizzato lo sviluppo di una nuova modellazione matematica per la simulazione della dinamica del flusso all’interno del sistema di aspirazione per motori sovralimentati. Tale modellazione si basa sulla risoluzione numerica mediante la formulazione proposta da Courant, Isaacson e Rees (CIR) nel 1952 per il set delle equazioni non conservative di Eulero per il caso monodimensionale. L’applicazione attraverso il software Matlab-Simulink di tali discretizzazioni numeriche garantisce la possibilità di calcolare la dinamica del flusso all’interno del condotto. L’innovazione proposta da questo lavoro consiste nel considerare l’intero stato da iterare come un vettore, permettendo di gestire parte delle operazioni da compiere con delle matrici. Questo approccio è stato adottato sia per una maggior velocità di calcolo, sia per rendere più agevole la modifica della geometria, ad esempio in fase di progettazione. La routine di lancio del nuovo modello, infatti, gestirà autonomamente la scrittura delle matrici, a partire dai pochi parametri necessari per la definizione della geometria all’interno del codice. Si andranno quindi a presentare i passaggi più importanti che hanno portato alla scrittura del codice, con particolare attenzione poi alla fase di validazione del modello. Essa sarà basata sia su un altro codice presente in letteratura, modellato anch’esso attraverso risoluzione CIR, sia mediante dati sperimentali utilizzati per la validazione di tale implementazione. Seguirà infine un’analisi dettagliata sui fattori che influenzano, positivamente e negativamente, l’esito delle simulazioni realizzate, come la discretizzazione spaziale e quella temporale, prestando sempre particolare attenzione alla stabilità del metodo.

Progetto e realizzazione di un modello di Hmi dinamicamente riconfigurabile per macchine automatiche multidosaggio

Obiettivo della tesi è stato quello di analizzare, progettare e realizzare un modello di interfaccia uomo-macchina per macchine automatiche multidosaggio che fosse dinamicamente riconfigurabile alla variazione della configurazione operativa.

Modellizzazione dinamica di un motore brushless DC per uso propulsivo su droni

Studio e realizzazione di un modello dinamico, in Simulink, del sistema propulsivo di un aeromodello, dotato di un autopilota e di un'elettronica di bordo. Tali caratteristiche consentono al drone di effettuare delle operazioni di volo in piena autonomia.

Modello matematico per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna

In questo lavoro di tesi si è realizzato un modello matematico con l’intento di fornire uno strumento per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna. L’ EECP (Enhanced External Counterpulsation) è un metodo non invasivo di assistenza cardiaca basato sull’applicazione di pressioni sincronizzate col ritmo cardiaco su determinate superfici corporee. I benefici della terapia su pazienti con sofferenze cardiache sono confermati dalle tabelle cliniche; rimane tuttavia non chiaro il legame diretto tra questi e la EECP. La base del lavoro è un modello della circolazione sanguigna adattato allo studio della situazione in esame e riprodotto mediante il software di calcolo Matlab. Il modello proposto e la relativa simulazione numerica permettono la visualizzazione istantanea delle modifiche che l’azione di contropulsazione apporta al flusso e alla pressione sanguigna, al fine di offrire un aiuto nella ricerca di un legame diretto tra la EECP e i benefici che questa terapia ha sul paziente.