Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Validazione di metodologie di simulazione dell’impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i più utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto è quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

Validazione di una metodologia per la simulazione della cavitazione in iniettori per applicazioni automobilistiche

Al giorno d’oggi, il primo obiettivo dell’industria automotive è quello di ridurre il consumo di carburante e migliorare la qualità del processo di combustione, al fine di soddisfare i limiti di emissioni imposti, senza penalizzare le performance dei motori. In questo scenario, il comportamento dinamico dello spray gioca un ruolo cruciale, ed è risaputo che esso dipenda anche dal processo di cavitazione all’interno di ogni singolo foro iniettore. L’appropriata predizione dello sviluppo di tale fenomeno è fondamentale per comprendere e controllare le caratteristiche delle spray nei canali iniettori e consentire una più accurata progettazione degli iniettori. In questo meccanismo, le simulazioni CFD ricoprono un ruolo di grande importanza, a causa delle dimensioni ridotte caratteristiche dei fori iniettori. Questi infatti non risultano spesso adatti ad un’analisi sperimentale dettagliata e precisa, e nel caso lo fossero, la valutazione è limitata a pochi casi, essendo le attività sperimentali complesse ed onerose. L’analisi computazionale presenta quindi vantaggi come una sostanziale riduzione del tempo e dei costi impiegati, non richiedendo infatti la costruzione e l’utilizzo di impianti appositi o prototipi. Lo scopo principale di questo progetto consiste nella validazione di un codice CFD capace di modellare la cavitazione, al fine di applicarlo successivamente ad un iniettore reale. Tale modello è stato validato tramite confronto con dati sperimentali su un flusso cavitante attraverso un ugello ideale. Tra tutti i software commerciali disponibili, è stato scelto CONVERGE poiché innovativo nella generazione automatica della griglia e dettagliato nell’analisi chimica, permettendo di gestire geometrie di motori molto complesse. È stato quindi ritenuto appropriato valutare la validità di tale codice nella modellazione della cavitazione, poiché potrebbe dimostrarsi rilevante nello studio futuro dei motori a combustione interna.

Progettazione, ottimizzazione e sviluppo di un sistema WOPI (Water Out Pressure In) per airbox

Un airbox deve fornire al motore sia aria pura, ovvero priva di particelle estranee (motivo per cui al suo interno viene collocato un elemento filtrante), che priva di gocce d’acqua, la cui presenza è possibile sia a causa della condensazione dell’umidità dell’aria aspirata, sia, in volume anche maggiore, in caso di pioggia, aspetto su cui si focalizzerà questo elaborato. Attualmente, per eliminare la presenza di queste particelle d’acqua, vengono praticati fori, più o meno grandi, sulla parete dell’airbox. Questa semplice tecnica, permette di eliminarla, ma causa anche una depressurizzazione. Per contrastare questo fenomeno, è già noto l’utilizzo di condotti elastici, normalmente chiusi o semichiusi, che, nel frattempo, permettono la lenta discesa gravitazionale dell’acqua. Questo sistema, però, non è in grado di sigillare il foro di scolo, provocando quindi anch’esso un calo della pressurizzazione del box. Inoltre, esso potrebbe intasarsi, rendendo inefficace lo scolo. In più, nel tempo, potrebbe sopraggiungere una perdita di elasticità, causando un peggioramento della funzionalità. Scopo del WOPI è eliminare tutti i precedenti inconvenienti nel modo più efficiente possibile.

Validazione di modelli per la simulazione del film di combustibile liquido a parete in motori ad accensione comandata

Le normative antinquinamento sempre più stringenti in termini di emissioni prodotte da un MCI hanno reso necessario lo studio e lo sviluppo di modelli predittivi in grado quindi di simulare tutto ciò che avviene all’interno della camera di combustione; allo scopo di ottimizzare quello che è un prodotto industriale e che pertanto va venduto. Il presente elaborato di tesi si è quindi incentrato sull’impatto che uno spray di combustibile, iniettato ad alta pressione, ha su pareti calde e fredde, analizzando tutto ciò che concerne l’eventuale sviluppo di wall-film prodotto come la relativa massa, area, spessore e raffreddamento della parete per via della propria interazione con il film a parete. Sono stati prima di tutto studiati i fenomeni fisici in atto e successivamente analizzati i modelli implementati nel codice di calcolo commerciale utilizzato STAR-CD, in particolare il modello di boiling, il modulo 1D-CHT ed il modello di impatto Bai-ONERA; il tutto facendo riferimento a esperimenti, già condotti, presenti in letteratura.

Metodologie per la simulazione fluidodinamica di pompe gerotor

La modellazione di una pompa gerotor può essere svolta mediante l'utilizzo di modelli matematici di tipo numerico. Questo tipo di soluzione prevedere la realizzazione di un dominio fluido discretizzato. In questo lavoro l'analisi è stata effettuata mediante il software STAR-CCM+. Sono state applicate due tecniche per la discretizzazione del dominio, l'Overset ed il Morphing, applicabili in problemi di interazione tra fluido e struttura in movimento. Analizzate le due tecniche, la seconda è stata applicata nello studio del comportamento di una pompa gerotor. I risultati ottenuti hanno portato alla definizione di un secondo modello ottimizzato mediante la variazione della luce di aspirazione.

Analisi costi-benefici del Building Information Modeling (BIM) mediante casi studio e simulazione

Il lavoro svolto in questa tesi vuole proporsi come un’analisi critica ed economica di ciò che il Building Information Modeling (BIM) rappresenta. La tesi si articola in una prima introduzione sul panorama attuale, identificando il problema che costituisce la sfida ingegneristica: l’ottimizzazione dei processi tecnici e realizzativi dell’industria delle costruzioni, migliorandone l’interoperabilità. Di seguito, dopo un’attenta valutazione della letteratura disponibile, si desumeranno quanti più dati validi per dare compiutezza alle analisi che verranno svolte dopo, in merito agli aspetti tecnici, pratici, e ai risvolti economici annessi. Si è scelto come oggetto di studio un esperimento di collaborazione con l’Università di Ferrara. Per dimostrare le potenzialità del BIM, si è voluto riproporre in ambito accademico un’anteprima della realtà professionale, affinché la simulazione possa essere quanto più fedele alle problematiche discusse. Il lavoro svolto ha previsto la creazione del modello architettonico e strutturale del Co-Housing San Rocco, un complesso di edifici di nuova realizzazione proposto nella tesi di Bulletti. Il compito di ogni tesista è ben definito: Bulletti Simone, studente di Architettura dell’Università di Ferrara, ha trattato gli aspetti architettonici del progetto. L’autore della presente tesi ha invece sviluppato il modello strutturale, svolgendo in seguito un’analisi dei vantaggi economici e gestionali che questa metodologia ha offerto.

Calibrazione e validazione di modelli per la simulazione CFD di impatto a parete di spray di combustibili

Il seguente lavoro è uno studio di iniezione (strategia, timing, spray pattern) svolto con la simulazione numerica, alle quali oggi si richiede dettaglio e accuratezza. Il lavoro si concentra sullo studio di spray multi componente, tramite la scrittura di una UDF (user define function) proprietaria, valutazione sensibilità dell'impatto a parete, film boiling a parametri modellistici influenzati dal multicomponente e scrittura di un codice per l'elaborazione delle immagini sia sperimentali che numeriche per rendere più esteso il confronto tra CFD e sperimentale, per migliorare le tarature e i modelli e comprendere meglio la fenomenologia.

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi, con riferimento alle normative vigenti, ed alla situazione esistente in termini di progettazione e realizzazione.

Analisi dei parametri fluidodinamici calcolati tramite simulazione dell'occlusione dell'auricola sinistra e della dislocazione del dispositivo in condizioni di fibrillazione atriale.

La fibrillazione atriale (FA) è la forma di aritmia cardiaca più diffusa nella pratica clinica. Attualmente, sono più di 30 milioni le persone affette da FA e si prevede una forte crescita di tale numero, conseguentemente al progressivo invecchiamento della popolazione. Ad oggi, la terapia anticoagulante orale è la principale strategia impiegata per la prevenzione di ictus ischemico. Nonostante l’efficacia degli anticoagulanti, un numero rilevante di pazienti non possono assumerli, a causa di un aumentato rischio emorragico e della pericolosa interazione con altri farmaci. È stato dimostrato che nel 90% dei casi la formazione dei trombi intracardiaci in pazienti con FA avviene in un punto ben preciso dell’atrio sinistro, ossia nell’auricola. Ciò è dovuto al fatto che essa, avendo una particolare morfologia, in condizioni non fisiologiche (emodinamica rallentata), tende a favorire la stasi del sangue al suo interno. Di conseguenza, la chiusura meccanica dell’auricola è emersa come alternativa clinica alla prevenzione farmacologica. I risultati relativi a recenti trials hanno suggerito che la chiusura percutanea della LAA attraverso l’impianto di opportuni occlusori è una terapia sicura, con un’efficacia non inferiore alla terapia di anticoagulanti orali nella prevenzione dell’ictus. L’obiettivo di questo elaborato di tesi è valutare in simulazione l’effetto dell’occlusione dell’auricola sinistra e di un eventuale dislocazione del dispositivo sulla fluidodinamica atriale in pazienti affetti da FA. Sono stati realizzati modelli 3D che simulano sia il risultato della procedura di LAAO con i dispositivi Amulet e Watchman, sia l’effetto della dislocazione dell’occlusore. Successivamente, sono state effettuate le simulazioni fluidodinamiche CFD sui modelli di atrio intero, sui modelli occlusi (privi di auricola) e sui modelli parzialmente occlusi (dislocazione Amulet) per studiare e valutare i parametri fluidodinamici (velocità, vorticità e stasi).

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

Sviluppo di un modello stocastico per la simulazione di sperimentazioni cliniche di nuovi trattamenti per l’osteoporosi

Le fratture fragili del collo del femore rappresentano un grave problema sociosanitario, in via di aggravamento a causa dell’aumento dell’età media e dell’aspettativa di vita. Il verificarsi di tale evento dipende da più fattori: la frequenza con la quale si verificano cadute, la gravità delle stesse e lo stato di salute del paziente, in particolare la resistenza meccanica delle sue ossa e il suo grado di controllo neuro-motorio. Negli ultimi anni gli strumenti di analisi e stima della resistenza meccanica del femore basati su modelli agli elementi finiti hanno raggiunto un tale livello di maturità da prospettarne l’utilizzo nel contesto di “in silico trials”, ovvero la simulazione virtuale di sperimentazioni cliniche e precliniche. In questo studio si è sviluppato un modello stocastico in grado di simulare la sperimentazione clinica di nuovi trattamenti per l’osteoporosi. Questo comprende più sotto modelli in grado di simulare il processo di invecchiamento, determinare stocasticamente le cadute che si verificano in una certa popolazione in un determinato orizzonte temporale e l’entità delle forze che agiscono sul grande trocantere. In particolare, le cadute sono state generate a partire da una distribuzione di Poisson e le forze sono state stimate attraverso un modello stocastico multiscala. La tesi si è concentrata su aspetti metodologici e procedurali, nell’ottica di sviluppare un modello che permettesse agevolmente la variazione dei parametri associati alla caduta, dotato di buone robustezza ed applicabilità. È stato verificato come la discretizzazione nel dominio del tempo del rimodellamento osseo non influisca significativamente nella determinazione delle fratture; inoltre, il modello si è dimostrato capace di fornire risultati stabili in modo computazionalmente efficiente. La validazione dei risultati del modello, invece, ha dato risultati non soddisfacenti, per cui sarà necessario procedere in futuro a un’attenta calibrazione dei parametri del modello.

Sviluppo di un ambiente virtualizzato per la simulazione di attacchi a reti time-sensitive

Questo lavoro di tesi ha visto come obiettivo finale quello di realizzare una se- rie di attacchi, alcuni di questi totalmente originali, ai protocolli della famiglia Time-Sensitive Networking (TSN) attraverso lo sviluppo di un’infrastruttura virtualizzata. L’infrastruttura è stata costruita e progettata utilizzando mac- chine virtuali con Quick EMUlator (QEMU) come strato di virtualizzazione ed accelerate attraverso Kernel-based Virtual Machine (KVM). Il progetto è stato concepito come Infrastrucutre as Code (IaC), attraverso l’ausilio di Ansible e alcuni script shell utilizzati come collante per le varie parti del progetto.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.

Recupero e riutilizzo di uno scarpone da sci a fine vita. Ottimizzazione del processo di Design for Recycling con simulazione agli elementi finiti validata tramite correlazione di immagini digitale

Il presente elaborato di tesi è parte di un ampio progetto finalizzato alla realizzazione di uno scarpone da sci ottenuto per il 90% di materiale da riciclo di scarponi da sci a fine vita. L’obiettivo è di realizzare la progettazione del nuovo scarpone, e caratterizzarne le proprietà flessionali avvalendosi ti tecniche di simulazione numerica FEM validata attraverso Correlazione di Immagini Digitale. La caratterizzazione flessionale è realizzata con la prova del Flex Test, che consiste nell’imporre una flessione dorsale ad una protesi di gamba. Le prime simulazioni FEM di questo complesso modello hanno evidenziato delle criticità. La presente ricerca, si pone l’obiettivo di risolvere singolarmente questi problemi. Inizialmente, si è realizzata la blend polimerica dei materiali dello scafo e del gambetto dello scarpone. Si è effettuata la caratterizzazione meccanica del materiale, confrontandolo con il materiale vergine. Si è poi ricercato il modello costitutivo più adeguato di materiale iperelastico per il FEM. Successivamente, si è ottenuto il modello CAD della scarpetta attraverso l’approccio reverse engineering, con la tecnica della scansione 3D, la quale ha consentito di ottenere il file. STEP da aggiungere al modello FEM. La conoscenza della geometria effettiva ha consentito di realizzare il design della nuova scarpetta ottenuta da materiale riciclato. Infine, si è utilizzata la Correlazione di Immagini Digitali per studiare la cinematica della chiusura dei ganci dello scafo, e per studiare lo stato di deformazione residua a chiusura effettuata. Si è valutata l’influenza del piede della protesi, e della scarpetta, durante la chiusura dei ganci. In seguito, si è confrontato quanto ottenuto dalle evidenze sperimentali della DIC, con la simulazione agli elementi finiti. Si tratta di un approccio innovativo, che vede per la prima volta implementata la Correlazione di Immagini Digitali per realizzare la caratterizzazione meccanica di uno scarpone da sci.