Uso di modelli matematici per l'ottimizzazione dei processi e dell'efficienza energetica di un impianto di depurazione a fanghi attivi.

La tesi analizza la risposta di modello matematico biologico (ASM1) applicato ad un impianto di depurazione in scala pilota al fine di conoscere la risposta del sistema in seguito alla variazione delle condizioni iniziali e, in funzione dei risultati ottenuti, ipotizzare ed applicare diverse strategie di controllo tramite le quali ottimizzare l’efficienza dell’impianto, riducendo i costi in termini economici ed energetici e migliorando la qualità dell’effluente.

Sviluppo di modelli motore e veicolo per l'analisi di strategie di controllo in applicazioni Software e Hardware In the Loop

This work describes the development of a simulation tool which allows the simulation of the Internal Combustion Engine (ICE), the transmission and the vehicle dynamics. It is a control oriented simulation tool, designed in order to perform both off-line (Software In the Loop) and on-line (Hardware In the Loop) simulation. In the first case the simulation tool can be used in order to optimize Engine Control Unit strategies (as far as regard, for example, the fuel consumption or the performance of the engine), while in the second case it can be used in order to test the control system. In recent years the use of HIL simulations has proved to be very useful in developing and testing of control systems. Hardware In the Loop simulation is a technology where the actual vehicles, engines or other components are replaced by a real time simulation, based on a mathematical model and running in a real time processor. The processor reads ECU (Engine Control Unit) output signals which would normally feed the actuators and, by using mathematical models, provides the signals which would be produced by the actual sensors. The simulation tool, fully designed within Simulink, includes the possibility to simulate the only engine, the transmission and vehicle dynamics and the engine along with the vehicle and transmission dynamics, allowing in this case to evaluate the performance and the operating conditions of the Internal Combustion Engine, once it is installed on a given vehicle. Furthermore the simulation tool includes different level of complexity, since it is possible to use, for example, either a zero-dimensional or a one-dimensional model of the intake system (in this case only for off-line application, because of the higher computational effort). Given these preliminary remarks, an important goal of this work is the development of a simulation environment that can be easily adapted to different engine types (single- or multi-cylinder, four-stroke or two-stroke, diesel or gasoline) and transmission architecture without reprogramming. Also, the same simulation tool can be rapidly configured both for off-line and real-time application. The Matlab-Simulink environment has been adopted to achieve such objectives, since its graphical programming interface allows building flexible and reconfigurable models, and real-time simulation is possible with standard, off-the-shelf software and hardware platforms (such as dSPACE systems).

Sviluppo e validazione sperimentale di strategie di previsione e controllo del fenomeno della preaccensione (Mega-Knock)

L’algoritmo per la previsione del Mega-Knock si inserisce all’interno di uno dei temi cardine dell’attuale ricerca nel campo motoristico: la minimizzazione del consumo di combustibile nei motori ad alto grado di sovralimentazione, sviluppati nell’ottica del downsizing. La possibilità di prevedere l’innescarsi del Mega-Knock consente di ottimizzare la definizione dell’obiettivo di titolo, evitando arricchimenti non necessari in un range di funzionamento del motore che frequentemente viene esplorato nella normale guida su strada. Si tratterà la possibilità di utilizzare una relazione empirica per cercare di arrivare alla previsione dell’insorgere della preaccensione, per poi ricorrere ad opportune strategie motore per evitare il verificarsi del fenomeno; il tutto tramite lo sviluppo di un algoritmo in ambiente MatLab-Simulink

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Simulazione dinamica di un veicolo dotato di powertrain ibrido endotermico-elettrico

Nel panorama motoristico ed automobilistico moderno lo sviluppo di motori a combustione interna e veicoli è fortemente influenzato da diverse esigenze che spesso sono in contrasto le une con le altre. Infatti gli obiettivi di economicità e riduzione dei costi riguardanti la produzione e la commercializzazione dei prodotti sono in contrasto con gli sforzi che devono essere operati dalle case produttrici per soddisfare le sempre più stringenti normative riguardanti le emissioni inquinanti ed i consumi di carburante dei veicoli. Fra le numerose soluzioni presenti i veicoli ibridi rappresentano una alternativa che allo stato attuale è già presente sul mercato in varie forme, a seconda della tipologie di energie accoppiate. In letteratura è possibile trovare numerosi studi che trattano l’ottimizzazione dei componenti o delle strategie di controllo di queste tipologie di veicoli: in moltissimi casi l’obiettivo è quello di minimizzare consumi ed emissioni inquinanti. Normalmente non viene posta particolare attenzione agli effetti che l’aggiunta delle macchine elettriche e dei componenti necessari per il funzionamento delle stesse hanno sulla dinamica del veicolo. Il presente lavoro di tesi è incentrato su questi aspetti: si è considerata la tipologia di veicoli ibridi termici-elettrici di tipo parallelo andando ad analizzare come cambiasse il comportamento dinamico del veicolo in funzione del tipo di installazione considerato per la parte elettrica del powertrain. In primo luogo è stato quindi necessario costruire ed implementare un modello dinamico di veicolo che permettesse di applicare coppie alle quattro ruote in maniera indipendente per considerare diverse tipologie di powertrain. In seguito si sono analizzate le differenze di comportamento dinamico fra il veicolo considerato e l’equivalente versione ibrida e i possibili utilizzi delle macchine elettriche per correggere eventuali deterioramenti o cambiamenti indesiderati nelle prestazioni del veicolo.

Physical characterization and numerical modeling of a WEST-like tokamak divertor plasma

Il presente elaborato è incentrato sulla modellizzazione del plasma di bordo nei dispositivi per la produzione di energia da fusione nucleare noti come tokamak. La tecnologia che nel corso di tutta la seconda metà del XX secolo fino ad oggi è stata sviluppata a questo fine deve necessariamente scontrarsi con alcuni limiti. Nei tokamak il confinamento del plasma è di tipo magnetico e vincola le particelle a muoversi di moto elicoidale all'interno del vessel, tuttavia il confinamento non risulta perfetto e parte dell'energia si scarica sulle pareti della camera, rischiando pertanto di fondere i materiali. Alcune strategie possono essere messe in atto per limitare questo problema, per esempio agendo sulla geometria del tokamak, oppure sulla fisica, inducendo nel plasma una data concentrazione di impurezze che ionizzino irraggiando parte dell'energia di plasma. Proprio tale meccanismo di perdita è stato simulato in un modello monodimensionale di plasma monofluido di bordo. I risultati del codice numerico relativo al modello dimostrano che per concentrazioni di impurezze crescenti è possibile diminuire in modo significativo flusso di calore e temperatura al divertore. Per di più risulta possibile controllare la posizione del fronte di irraggiamento per mezzo di parametri di controllo del plasma quali la pressione. Si osserva inoltre l'insorgere del cosiddetto fenomeno di biforcazione alle basse temperature di divertore, fenomeno in cui il plasma si comporta in modo instabile a causa di fenomeni fisici tipici delle basse energie ("detachment") e a seguito del quale può improvvisamente spegnersi (disruzione). Infine lo stesso modello è stato migliorato inserendo l'ipotesi di plasma bifluido. Anche per gli ioni viene osservato il fenomeno di biforcazione. I risultati numerici evidenziano le dinamiche dello scambio energetico fra le specie gettando le basi di una progettazione efficiente della chimica del plasma finalizzata al raffreddamento del divertore.

Simulazione quali-quantitativa della rete fognaria della città di Modena e dimensionamento di invasi per la mitigazione dell'impatto degli scaricatori di piena

Nel presente lavoro di tesi ci si è occupati dello studio del comportamento idraulico-ambientale della rete di drenaggio a servizio della città di Modena. In particolare si è condotta una valutazione dell’effetto che gli scaricatori della rete fognaria in oggetto hanno sul complesso dei corpi idrici riceventi. Tale lavoro si prefigge anche lo scopo di individuare e dimensionare i più efficaci sistemi di controllo degli sversamenti, operati dagli scaricatori stessi, ed infine supportare analisi costi-benefici in vista della realizzazione delle opere di risanamento ambientale necessarie per ottemperare ai vincoli imposti dalla vigente normativa regionale in merito alla gestione delle acque di prima pioggia (Deliberazione G.R. Emilia Romagna 286/2005). Lo studio si è articolato in fasi successive: • analisi dello stato di fatto; • catalogazione degli scaricatori in esercizio nella rete di drenaggio; • determinazione ed analisi dei bacini idrografici e delle superfici scolanti; • implementazione di un modello numerico della rete di drenaggio; • individuazione e valutazione delle criticità idraulico-ambientali del sistema, mediante simulazioni in continuo delle serie pluviometriche degli anni 2005 e 2006. L’attività che ha portato al conseguimento dei risultati che sono raccolti in questa “nota” è stata svolta in collaborazione con la società HERA Modena s.r.l. a cui compete, fra le altre, la gestione dell’intera rete di drenaggio urbano del Comune di Modena. La fase di analisi dello stato di fatto e delle superfici scolanti afferenti ai singoli sottobacini è stata condotta utilizzando lo strumento GIS Arcview; il quale è di supporto, anche ai fini di un’appropriata definizione delle caratteristiche specifiche del territorio. Lo studio è stato sviluppato mediante la realizzazione di un modello numerico di simulazione quali-quantitativa con l’ausilio del software InfoWorks CS 8.05, distribuito dalla Wallingford Software Ltd UK.

Asta medio inferiore del fiume Po: modello matematico per la valutazione delle condizioni di pericolosità idraulica delle aree di pianura

La presente dissertazione illustra lo studio, svolto in ambito di Tesi di Laurea Specialistica, della difesa delle aree di pianura prospicienti il tratto medio inferiore del Fiume Po dalle cosiddette piene al limite della prevedibilità, ovvero quelle aventi intensità al di sopra della quale le procedure di stima statistica perdono di significato a causa della mancanza di eventi osservati confrontabili (Majone, Tomirotti, 2006). In questo contesto si è definito come evento di piena al limite della prevedibiltà un evento con tempo di ritorno pari a cinquecento anni. Lo studio ha necessariamente preso in considerazione e riprodotto attraverso una schematizzazione concettuale le esondazioni all'esterno delle arginature maestre che si verificherebbero in conseguenza ad un evento estremo, quale quello preso in esame, nei comparti idraulici prospicienti l'asta fluviale. Detti comparti sono costituiti dalle zone di pianura latistanti l’asta fluviale, classificate dall'Autorità di Bacino come Fascia C e suddivise in base alla presenza degli affluenti principali del fiume Po e delle principali infrastrutture viarie e ferroviarie situate in tale fascia. Il presente studio persegue l’obiettivo di analizzare alcune politiche di intervento per la mitigazione del rischio alluvionale alternative al sovralzo e ringrosso arginale e ricade all'interno delle linee strategiche individuate dall' AdB-Po per la mitigazione del rischio residuale, ossia quello che permane anche in presenza di opere di difesa progettate e verificate con riferimento ad un ben preciso tempo di ritorno (nel caso in esame Trit = 200 anni). Questa linea di intervento si traduce praticamente individuando sul territorio aree meno "sensibili", in virtù del minor valore o dell'inferiore vulnerabilità dei beni in esse presenti, e dunque adatte ad accogliere i volumi di piena esondabili in occasione di quegli eventi di piena incompatibili con i presidi idraulici preesistenti, le sopra richiamate piene al limite della prevedibilità. L'esondazione controllata dei volumi di piena in tali aree avrebbe infatti il fine di tutelare le aree di maggior pregio, interessate da centri abitati, infrastrutture e beni di vario tipo; tale controllo è da considerarsi auspicabile in quanto sedici milioni di persone abitano la zona del bacino del Po e qui sono concentrati il 55% del patrimonio zootecnico italiano, il 35% della produzione agricola e il 37% delle industrie le quali però sostengono il 46% dei posti di lavoro (fonte AdB-Po). Per questi motivi il Po e il suo bacino sono da considerare come zone nevralgiche per l’intera economia italiana e una delle aree europee con la più alta concentrazione di popolazione, industrie e attività commerciali. Dal punto di vista economico, l’area è strategica per il Paese garantendo un PIL che copre il 40% di quello nazionale, grazie alla presenza di grandi industrie e di una quota rilevante di piccole e medie imprese, nonché d’attività agricole e zootecniche diffuse. Il punto di partenza è stato il modello numerico quasi-bidimensionale precedentemente sviluppato dal DISTART nel 2008 con il software HEC-RAS, la cui schematizzazione geometrica copriva unicamente l'alveo del Fiume (Fasce A e B secondo la denominazione adottata dall'AdB-Po) e le cui condizioni iniziali e al contorno rispecchiavano un evento con tempo di ritorno pari a duecento anni. Si è proceduto dunque alla definizione di nuove sollecitazioni di progetto, volte a riprodurre nelle sezioni strumentate del Po gli idrogrammi sintetici con tempo di ritorno di cinquecento anni messi a punto dal D.I.I.A.R. (Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale e del Rilevamento, DIIAR, 2001) del Politecnico di Milano. Il modello stesso è stato poi aggiornato e considerevolmente modificato. Il risultato consiste in un nuovo modello matematico idraulico di tipo quasi-bidimensionale che, attraverso una schematizzazione concettuale, riproduce il comportamento idraulico in occasione di eventi di piena al limite della prevedibilità per tutte e tre le Fasce Fluviali considerate nel Piano stralcio per l’Assetto Idrogeologico redatto dall'AdB-Po (Fasce A, B C, v. PAI, 1999). I diversi comparti idraulici in cui può essere suddivisa la Fascia C sono stati inseriti nel modello e geometricamente descritti in termini di curve di riempimento, ricavate a partire dal DTM del Bacino del Po attraverso opportune elaborazioni in ambiente GIS (Geographic Information System). Una volta predisposto il modello sono state condotte due tipologie di simulazioni. Una prima serie è stata volta alla definizione in maniera iterativa dei punti critici degli argini maestri, ovvero quelli nei quali si prevedeva avvenisse la tracimazione, e alla modellazione in essi della formazione di brecce, decisive per una corretta riproduzione del fenomeno di esondazione all'esterno delle arginature maestre nell'attuale configurazione; bisogna infatti considerare che le arginature maestre vengono comunemente progettate con il solo fine di contenere le portate di piena in alveo, e che dunque un’eventuale tracimazione induce fenomeni erosivi che solitamente portano all'apertura di una breccia nel manufatto (rotta arginale). Un'ulteriore simulazione ha permesso di valutare l'evoluzione del fenomeno sotto l'ipotesi di un intervento di consolidamento degli argini maestri nei tratti critici (interessati dai sormonti) e quindi di rotta arginale impedita. Il confronto dei risultati ottenuti ha evidenziato i benefici associati ad una laminazione controllata dell'evento di piena all'esterno delle arginature. In questo contesto il termine "controllata" è esclusivamente associato al fenomeno di rotta arginale, come detto inibita per lo scenario ipotetico. I benefici di tale controllo si hanno in termini di volumi, di portate esondate e di tiranti attesi nei comparti idraulici. Lo strumento modellistico predisposto nell’ambito della Tesi di Laurea Specialistica si presta ad essere utilizzato a supporto dell’identificazione su ampia scala delle zone della Fascia C meno “sensibili”, in quanto meno vulnerabili ai fenomeni di allagamento. Questo ulteriore passaggio costituisce il punto di partenza per delineare le strategie ottimali di laminazione controllata in Fascia C degli eventi al limite della prevedibilità al fine della riduzione del rischio idraulico nelle aree di pianura prospicienti il Po, aspetto che verrà affrontato in sviluppi successivi del presente lavoro.