Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Simulazioni multifase del flusso di iniettori per applicazioni a motori gdi

Questo lavoro si concentra sullo studio fluidodinamico del flusso multifase cavitante di un iniettore per applicazioni a motori ad iniezione diretta (GDI). L’analisi è stata svolta tramite l’uso del software CFD (Computational Fluid Dynamics) Star-CCM+^® sviluppato da CD-ADAPCO. L’obiettivo di questo studio è investigare i motivi che portano ad un diverso comportamento tra i rilievi della prova sperimentale di caratterizzazione dell’iniettore e quanto atteso dai valori nominali dettati dalla specifica dell’iniettore, con particolare riferimento alla distribuzione di portata fra i diversi ugelli. Il presente lavoro fa parte di una coppia di elaborati collegati tra loro e, pertanto, ha inoltre lo scopo di fornire dati utili allo sviluppo dell’altro tema di analisi mirato alla individuazione di parametri di qualità della miscela aria-combustibile non reagente utili alla previsione della formazione del particolato prodotto dalla combustione di un motore GDI. L’elaborato, costituito di 5 capitoli, è strutturato secondo lo schema sottostante. Nel capitolo 1 vengono presentate le motivazioni che lo hanno avviato e viene esposto lo stato dell’arte della tecnologia GDI. Il capitolo 2 è a sfondo teorico: in esso vengono riportati i fondamenti del processo di cavitazione nella prima parte e i modelli numerici utilizzati nell’analisi nella seconda. Il capitolo 3 descrive la modellazione e successiva validazione dei modelli tramite confronto con il test case ‘Comprensive hydraulic and flow field documentation in model throttle experiments under cavitation conditions’ (E. Winklhofer, 2001). Nella scelta dei modelli e dei parametri relativi, l’analisi si è basata su precedenti lavori trovati in letteratura. Successivamente è stato svolto uno studio di sensibilità per valutare la stabilità della soluzione a piccole variazioni nei valori dei parametri. La scelta dei parametri modellistici nel caso di interesse, l’iniettore multihole, si è basata inizialmente sui valori ‘ottimali’ ottenuti nel test case ed è l’argomento del capitolo 4. All’interno del capitolo si parla inoltre dell’analisi di sensibilità successiva, svolta con lo scopo di comprendere i motivi che portano allo sbilanciamento tra fori corrispondenti e al maggiore sviluppo del getto centrale rispetto agli altri. Nel capitolo 5 dopo un breve riepilogo dei punti fondamentali trattati nello svolgimento dell’elaborato, si tirano le conclusioni sull’analisi e si espongono gli sviluppi futuri.

Whole ship energy optimization: the case study of a chemical tanker

La presente dissertazione investiga la possibilità di ottimizzare l’uso di energia a bordo di una nave per trasporto di prodotti chimici e petrolchimici. Il software sviluppato per questo studio può essere adattato a qualsiasi tipo di nave. Tale foglio di calcolo fornisce la metodologia per stimare vantaggi e miglioramenti energetici, con accuratezza direttamente proporzionale ai dati disponibili sulla configurazione del sistema energetico e sui dispositivi installati a bordo. Lo studio si basa su differenti fasi che permettono la semplificazione del lavoro; nell’introduzione sono indicati i dati necessari per svolgere un’accurata analisi ed è presentata la metodologia adottata. Inizialmente è fornita una spiegazione sul layout dell’impianto, sulle sue caratteristiche e sui principali dispositivi installati a bordo. Vengono dunque trattati separatamente i principali carichi, meccanico, elettrico e termico. In seguito si procede con una selezione delle principali fasi operative della nave: è seguito tale approccio in modo da comprendere meglio la ripartizione della richiesta di potenza a bordo della nave e il suo sfruttamento. Successivamente è svolto un controllo sul dimensionamento del sistema elettrico: ciò aiuta a comprendere se la potenza stimata dai progettisti sia assimilabile a quella effettivamente richiesta sulla nave. Si ottengono in seguito curve di carico meccanico, elettrico e termico in funzione del tempo per tutte le fasi operative considerate: tramite l’uso del software Visual Basic Application (VBA) vengono creati i profili di carico che possono essere gestiti nella successiva fase di ottimizzazione. L’ottimizzazione rappresenta il cuore di questo studio; i profili di potenza ottenuti dalla precedente fase sono gestiti in modo da conseguire un sistema che sia in grado di fornire potenza alla nave nel miglior modo possibile da un punto di vista energetico. Il sistema energetico della nave è modellato e ottimizzato mantenendo lo status quo dei dispositivi di bordo, per i quali sono considerate le configurazioni di “Load following”, “two shifts” e “minimal”. Una successiva investigazione riguarda l’installazione a bordo di un sistema di accumulo di energia termica, così da migliorare lo sfruttamento dell’energia disponibile. Infine, nella conclusione, sono messi a confronto i reali consumi della nave con i risultati ottenuti con e senza l’introduzione del sistema di accumulo termico. Attraverso la configurazione “minimal” è possibile risparmiare circa l’1,49% dell’energia totale consumata durante un anno di attività; tale risparmio è completamente gratuito poiché può essere raggiunto seguendo alcune semplici regole nella gestione dell’energia a bordo. L’introduzione di un sistema di accumulo termico incrementa il risparmio totale fino al 4,67% con un serbatoio in grado di accumulare 110000 kWh di energia termica; tuttavia, in questo caso, è necessario sostenere il costo di installazione del serbatoio. Vengono quindi dibattuti aspetti economici e ambientali in modo da spiegare e rendere chiari i vantaggi che si possono ottenere con l’applicazione di questo studio, in termini di denaro e riduzione di emissioni in atmosfera.

Assessing the effectiveness of ISO 3382 for evaluating the acoustical quality of italian historical theatres: the case study of the Bonci Theatre

The present study concerns the acoustical characterisation of Italian historical theatres. It moved from the ISO 3382 which provides the guidelines for the measurement of a well established set of room acoustic parameters inside performance spaces. Nevertheless, the peculiarity of Italian historical theatres needs a more specific approach. The Charter of Ferrara goes in this direction, aiming at qualifying the sound field in this kind of halls and the present work pursues the way forward. Trying to understand how the acoustical qualification should be done, the Bonci Theatre in Cesena has been taken as a case study. In September 2012 acoustical measurements were carried out in the theatre, recording monaural e binaural impulse responses at each seat in the hall. The values of the time criteria, energy criteria and psycho-acoustical and spatial criteria have been extracted according to ISO 3382. Statistics were performed and a 3D model of the theatre was realised and tuned. Statistical investigations were carried out on the whole set of measurement positions and on carefully chosen reduced subsets; it turned out that these subsets are representative only of the “average” acoustics of the hall. Normality tests were carried out to verify whether EDT, T30 and C80 could be described with some degree of reliability with a theoretical distribution. Different results, according to the varying assumptions underlying each test, were found. Finally, an attempt was made to correlate the numerical results emerged from the statistical analysis to the perceptual sphere. Looking for “acoustical equivalent areas”, relative difference limens were considered as threshold values. No rule of thumb emerged. Finally, the significance of the usual representation through mean values and standard deviation, which may be meaningful for normal distributed data, was investigated.

Test sperimentali e modellazione di una torre di lavaggio per la filtrazione di particolato sottile in impianti di combustione delle biomasse

This study investigates biomass and particulate matter also known as PM produced from the combustion of a domestic boiler powered by mais and how to separate PM from the stream of smoke output from the boiler using wet scrubber with structured packing. Sperimentations show the inefficiency of the separator used, so we provide an optimization of the structured packing changing geometric parameters as angle of the bend or thickness of the channels. In order to obtain a higher separation efficiency we remove the structured packinkg and introduce a packed bed composed of spheres of polyethylene with a diameter of 3 mm.

Localization, web communication and seo for museum websites: The case of the Pinacoteca di Brera

La presente tesi di laurea si concentra sulla localizzazione in inglese di varie sezioni del nuovo sito web della Pinacoteca di Brera. Il progetto di localizzazione è stato contestualizzato da un lato all’interno della letteratura sulla comunicazione museale, e dall’altro sulla comunicazione web, per poter avanzare proposte di miglioramento alla luce di ricerche nel campo della SEO (Search Engine Optimization). Lo studio della comunicazione museale si è arricchito grazie all’esperienza di documentazione presso la University of Leicester (UK). La tesi mira a porre le basi per la produzione di contenuti museali adatti ad una lettura sul web, in modo da offrire non solo una traduzione ben fatta dal punto di vista linguistico e culturale, ma anche facilmente fruibile per un utente online e reperibile attraverso motori di ricerca. L’elaborato intende fornire ai musei italiani alcuni spunti di riflessione circa possibili miglioramenti delle proprie piattaforme online grazie alla localizzazione e ad un’analisi approfondita dei contenuti web secondo principi di usabilità e visibilità. Il capitolo 1 introduce la letteratura sugli studi museali, prestando particolare attenzione alla comunicazione. Il capitolo 2 fornisce una panoramica generale sul web: vengono suggerite buone pratiche di web writing, analizzate le strategie di SEO per migliorare la visibilità dei siti e delineato le principali caratteristiche del processo di localizzazione. Il capitolo 3 riunisce i due universi finora esplorati individualmente, ovvero i musei e il web, concentrandosi sulla comunicazione online dei musei e concludendo con uno schema di valutazione dei siti dei musei. Il capitolo 4 applica le strategie precedentemente discusse al caso specifico della Pinacoteca di Brera, concentrandosi sulla valutazione del sito, sulla localizzazione di alcune sezioni e sulla proposta di strategie SEO. Infine, il capitolo 5 tira le fila dell’intero lavoro mettendo in evidenza i principali risultati ottenuti.

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.

Tolerance optimization with statistical approach in the CAT environment

Nowadays, product development in all its phases plays a fundamental role in the industrial chain. The need for a company to compete at high levels, the need to be quick in responding to market demands and therefore to be able to engineer the product quickly and with a high level of quality, has led to the need to get involved in new more advanced methods/ processes. In recent years, we are moving away from the concept of 2D-based design and production and approaching the concept of Model Based Definition. By using this approach, increasingly complex systems turn out to be easier to deal with but above all cheaper in obtaining them. Thanks to the Model Based Definition it is possible to share data in a lean and simple way to the entire engineering and production chain of the product. The great advantage of this approach is precisely the uniqueness of the information. In this specific thesis work, this approach has been exploited in the context of tolerances with the aid of CAD / CAT software. Tolerance analysis or dimensional variation analysis is a way to understand how sources of variation in part size and assembly constraints propagate between parts and assemblies and how that range affects the ability of a project to meet its requirements. It is critically important to note how tolerance directly affects the cost and performance of products. Worst Case Analysis (WCA) and Statistical analysis (RSS) are the two principal methods in DVA. The thesis aims to show the advantages of using statistical dimensional analysis by creating and examining various case studies, using PTC CREO software for CAD modeling and CETOL 6σ for tolerance analysis. Moreover, it will be provided a comparison between manual and 3D analysis, focusing the attention to the information lost in the 1D case. The results obtained allow us to highlight the need to use this approach from the early stages of the product design cycle.

SmartForge: An event-driven architecture for simulator-based process optimization

In the metal industry, and more specifically in the forging one, scrap material is a crucial issue and reducing it would be an important goal to reach. Not only would this help the companies to be more environmentally friendly and more sustainable, but it also would reduce the use of energy and lower costs. At the same time, the techniques for Industry 4.0 and the advancements in Artificial Intelligence (AI), especially in the field of Deep Reinforcement Learning (DRL), may have an important role in helping to achieve this objective. This document presents the thesis work, a contribution to the SmartForge project, that was performed during a semester abroad at Karlstad University (Sweden). This project aims at solving the aforementioned problem with a business case of the company Bharat Forge Kilsta, located in Karlskoga (Sweden). The thesis work includes the design and later development of an event-driven architecture with microservices, to support the processing of data coming from sensors set up in the company's industrial plant, and eventually the implementation of an algorithm with DRL techniques to control the electrical power to use in it.

Life cycle assessment (LCA) of a bio-fuel cell fed with waste biomass: potential for scale-up and process optimization

In this Thesis, a life cycle analysis (LCA) of a biofuel cell designed by a team from the University of Bologna was done. The purpose of this study is to investigate the possible environmental impacts of the production and use of the cell and a possible optimization for an industrial scale-up. To do so, a first part of the paper was devoted to studying the present literature on biomass, and fuel cell treatments and then LCA studies on them. The experimental part presents the work done to create the Life Cycle Inventory and Life Cycle Impact Assessment. Several alternative scenarios were created to study process optimization. Reagents and energy supply were changed. To examine whether this technology can be competitive, a comparison was made with some biofuel cell use scenarios with traditional biomass treatment technologies. The result of this study is that this technology is promising from an environmental point of view in case it is possible to recover nutrients in output, without excessive energy consumption, and to minimize the use of energy used to prepare the solution.

Il ruolo del controllo posturale per il movimento selettivo degli arti superiori attraverso la facilitazione con trunk constraint nel paziente neurologico: case report

Background Recentemente la letteratura scientifica ha dimostrato come un corretto controllo posturale faciliti i movimenti dell’arto superiore. Ci sono evidenze secondo cui, applicando al paziente dei contenimenti sul tronco, si ha un miglioramento della funzionalità dell’arto superiore. Obiettivi L’obiettivo principale della tesi era quello di verificare come il sostegno del tronco con l’utilizzo di una stabile struttura assiale, attraverso un supporto esterno definito “trunk constraint”, incrementi il controllo posturale, per facilitare i movimenti frazionati degli arti superiori in persone con esiti di patologie neurologiche. Materiali e metodi Il caso clinico riguarda un uomo di 60 anni con esiti di emiparesi sinistra da ictus ischemico destro. E’ stato eseguito un protocollo di dieci sessioni di trattamento, di un’ora ciascuna, in cui veniva applicata la facilitazione attraverso trunk constraint in diversi setting riabilitativi. I dati sono stati raccolti tramite le scale: Trunk Control Test, Trunk Impairment Scale e Fugl-Meyer Assessment. Inoltre, è stata eseguita l’analisi osservazionale, attraverso videoripresa, di un gesto funzionale dell’arto superiore. Risultati I dati rilevati dimostrano degli effetti positivi rispetto alle ipotesi di partenza. Infatti sono stati riscontrati miglioramenti negli item delle scale somministrate e nella valutazione qualitativa dell’arto superiore. In particolare, si è evidenziato un miglioramento nel controllo del tronco nella scala Trunk Control Test e nella Trunk Impairment Scale e della funzione dell’arto superiore alla scala Fugl-Meyer Assessment. L’analisi osservazionale dei video dimostra un miglioramento del timing di attivazione durante la fase di reaching. Conclusioni I risultati ottenuti supportano il fatto che un incremento dell’attività antigravitaria del tronco, anche attraverso supporti esterni come la trunk constraint, possono facilitare un miglioramento funzionale dell’arto superiore.

Prosperity Thinking in Action: a case study from Future Food Institute’s Paideia Campus

The need for sustainable economic growth and environmental stewardship emerged around the start of the twentieth century when society became aware that the traditional development model would lead to the collapse of the terrestrial ecosystem in the long run. Over the years, the international community's environmental efforts have demonstrated unequivocally that the planet's limits are real. And so, the new development approach has laid the groundwork for the future. According to this model, design also plays a key role in ensuring a better future. The design has undergone an ecological and sustainable evolution as a result of the global environmental crisis and the degradation of our ecosystem and biodiversity. In this contest, Prosperity Thinking is inserted, a still evolving methodology developed by the Future Food Institute starting from 2019. The main concepts on which it is based are described, as well as the method that identifies it, which is divided into the following stages: 1) Problem Framing 2) Ideation and Prototyping 3) Test & Analyze. The development of the prosperity thinking toolkit is described, beginning with the search for tools from the literature on sustainable design and ending with its validation with the help of design experts. The testing of some tools will be recounted during a workshop organized by FFI, in which 15 people ranging in age from 14 to 40 will participate, and then the final version of the toolkit will be presented which has been obtained by adding to it the tools proposed by the experts. Finally, a reflection on the future of Prosperity Thinking, a method in constant evolution that must continue to follow societal and environmental changes in order to respond to the ever-increasingly complex challenge of sustainability.

Axis control optimization: autotuning techniques and frequency response analysis of industrial mechatronic systems

In the field of industrial automation, there is an increasing need to use optimal control systems that have low tracking errors and low power and energy consumption. The motors we are dealing with are mainly Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs), controlled by 3 different types of controllers: a position controller, a speed controller, and a current controller. In this thesis, therefore, we are going to act on the gains of the first two controllers by going to find, through the TwinCAT 3 software, what might be the best set of parameters. To do this, starting with the default parameters recommended by TwinCAT, two main methods were used and then compared: the method of Ziegler and Nichols, which is a tabular method, and advanced tuning, an auto-tuning software method of TwinCAT. Therefore, in order to analyse which set of parameters was the best,several experiments were performed for each case, using the Motion Control Function Blocks. Moreover, some machines, such as large robotic arms, have vibration problems. To analyse them in detail, it was necessary to use the Bode Plot tool, which, through Bode plots, highlights in which frequencies there are resonance and anti-resonance peaks. This tool also makes it easier to figure out which and where to apply filters to improve control.

Design, fabrication and mechanical characterization of a structural node made using Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology

Additive Manufacturing (AM), also known as “3D printing”, is a recent production technique that allows the creation of three-dimensional elements by depositing multiple layers of material. This technology is widely used in various industrial sectors, such as automotive, aerospace and aviation. With AM, it is possible to produce particularly complex elements for which traditional techniques cannot be used. These technologies are not yet widespread in the civil engineering sector, which is slowly changing thanks to the advantages of AM, such as the possibility of realizing elements without geometric restrictions, with less material usage and a higher efficiency, in particular employing Wire-and-Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology. Buildings that benefit most from AM are all those structures designed using form-finding and free-form techniques. These include gridshells, where joints are the most critical and difficult elements to design, as the overall behaviour of the structure depends on them. It must also be considered that, during the design, the engineer must try to minimize the structure's own weight. Self-weight reductions can be achieved by Topological Optimization (TO) of the joint itself, which generates complex geometries that could not be made using traditional techniques. To sum up, weight reductions through TO combined with AM allow for several potential benefits, including economic ones. In this thesis, the roof of the British Museum is considered as a case study, analysing the gridshell structure of which a joint will be chosen to be designed and manufactured, using TO and WAAM techniques. Then, the designed joint will be studied in order to understand its structural behaviour in terms of stiffness and strength. Finally, a printing test will be performed to assess the production feasibility using WAAM technology. The computational design and fabrication stages were carried out at Technische Universität Braunschweig in Germany.