Modellazione e simulazione di particelle 'attive' in matrici liquido-cristalline

In questo lavoro di tesi si sono sviluppati un modello molecolare ed una metodologia Molecular Dynamics in grado di simulare il comportamento di particelle attive, alimentate da un motore molecolare, in matrici liquido-cristalline. In particolare, abbiamo sviluppato un metodo di calcolo della temperatura traslazionale ed un algoritmo di termalizzazione compatibili con le condizioni di non-equilibrio del sistema. Dall’analisi delle prove condotte sono emerse variazioni significative nei comportamenti collettivi dei campioni quali segregazioni e flussi coerenti caratterizzati da un alto grado di ordine nematico. Il modello proposto, pur nella nella sua semplicità, può costituire una base per future e più specifiche simulazioni.

Design di un sistema di fault detection per un'architettura fail-safe di attuazione delle superfici di controllo di un UAV

In questo lavoro di tesi si affronta una delle problematiche che si presentano oggi nell'impiego degli APR (Aeromobili a Pilotaggio Remoto): la gestione della safety. Non si può più, in altri termini, negare che tali oggetti siano parte integrante dello spazio aereo civile. Proprio su questo tema recentemente gli enti regolatori dello spazio aereo stanno proiettando i loro sforzi al fine di stabilire una serie di regolamenti che disciplinino da una parte le modalità con cui questi oggetti si interfacciano con le altre categorie di velivoli e dall'altra i criteri di idoneità perché anche essi possano operare nello spazio aereo in maniera sicura. Si rende quindi necessario, in tal senso, dotare essi stessi di un sufficiente grado di sicurezza che permetta di evitare eventi disastrosi nel momento in cui si presenta un guasto nel sistema; è questa la definizione di un sistema fail-safe. Lo studio e lo sviluppo di questa tipologia di sistemi può aiutare il costruttore a superare la barriera oggi rappresentata dal regolamento che spesso e volentieri rappresenta l'unico ostacolo non fisico per la categoria dei velivoli unmanned tra la terra e il cielo. D'altro canto, al fine di garantire a chi opera a distanza su questi oggetti di avere, per tutta la durata della missione, la chiara percezione dello stato di funzionamento attuale del sistema e di come esso può (o potrebbe) interagire con l'ambiente che lo circonda (situational awarness), è necessario dotare il velivolo di apparecchiature che permettano di poter rilevare, all'occorrenza, il malfunzionamento: è questo il caso dei sistemi di fault detection. Questi due fondamentali aspetti sono la base fondante del presente lavoro che verte sul design di un ridotto ma preponderante sottosistema dell'UAV: il sistema di attuazione delle superfici di controllo. Esse sono, infatti, l'unico mezzo disponibile all'operatore per governare il mezzo nelle normali condizioni di funzionamento ma anche l'ultima possibilità per tentare di evitare l'evento disastroso nel caso altri sottosistemi siano chiaramente fuori dalle condizioni di normale funzionamento dell'oggetto.

Studio e analisi di software per il porting di codice a 64 bit

XCModel è un sistema CAD, basato su NURBS, realizzato ed utilizzato in ambiente accademico. È composto da quattro pacchetti per la modellazione 2D, 3D e la resa foto-realistica, ognuno dotato di una propria interfaccia grafica. Questi pacchetti sono in costante evoluzione: sia per le continua evoluzioni dell’hardware che ai cambiamenti degli standard software. Il sistema nel complesso raccoglie la conoscenza e l’esperienza nella modellazione geometrica acquisita nel tempo dai progettisti. XCModel, insieme ai suoi sottosistemi, sono stati progettati per diventare un laboratorio di insegnamento e ricerca utile a sperimentare ed imparare metodi ed algoritmi nella modellazione geometrica e nella visualizzazione grafica. La natura principalmente accademica, e la conseguente funzione divulgativa, hanno richiesto continui aggiornamenti del programma affinché potesse continuare a svolgere la propria funzione nel corso degli anni. La necessità di continuare a ad evolversi, come software didattico, anche con il moderno hardware, è forse il principale motivo della scelta di convertire XCModel a 64 bit; una conversione che ho svolto in questa tesi. Come molte altre applicazioni realizzate a 32 bit, la maggior parte del codice viene eseguito correttamente senza problemi. Vi sono però una serie di problematiche, a volte molto subdole, che emergono durante la migrazione delle applicazioni in generale e di XCModel in particolare. Questa tesi illustra i principali problemi di portabilità riscontrati durante il porting a 64 bit di questo pacchetto seguendo il percorso da me intrapreso: mostrerò gli approcci adottati, i tool utilizzati e gli errori riscontrati.

Valutazione delle interferenze idrogeologiche della stazione sotterranea AV di Firenze tramite modellazione fisica e numerica

Questa tesi è volta a fornire un contributo conoscitivo alla quantificazione delle interferenze idrogeologiche causate dalla nuova stazione sotterranea del nodo di penetrazione ferroviaria urbana AV di Firenze, situata nei pressi dell’attuale stazione di superficie di Santa Maria Novella, e della verifica del dimensionamento delle opere di mitigazione in progetto. La tesi è effettuata in collaborazione e con il supporto tecnico di ARPAT (Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Toscana), Sede di Firenze, Direzione Tecnica – Settore VIA/VAS (Valutazione d’Impatto Ambientale/Valutazione Ambientale Strategica). ARPAT è l’organo di supporto tecnico dell’Osservatorio Ambientale costituito per l’opera. La tesi sfrutta, come dati di base, tutti quelli raccolti dai progettisti nelle varie fasi, compresa la determinazione dei parametri idraulici dell’acquifero, ed i dati del monitoraggio ambientale. Il proponente dell’opera è RFI (Rete Ferroviaria Italiana) ed è realizzata e progettata dal consorzio Nodavia (General Contractor). Per l’analisi dell’interferenza idrogeologica causata dal camerone della stazione dell’alta velocità di Firenze è stato utilizzato un duplice approccio: un modello fisico ricostruito in laboratorio; un modello numerico alla differenze finite tramite codice Modflow.. Il modello fisico di laboratorio ha cercato di ricostruire, semplificandolo, il modello concettuale del problema idrogeologico di studio: l’inserimento di una diga totalmente impermeabile, trasversalmente al flusso in un mezzo poroso, attraversata da dreni orizzontali di collegamento monte-valle idrologico. Tale configurazione, anche se non strettamente in scala, ha permesso di definire preliminarmente le condizioni al contorno del sistema ed ha guidato la successiva implementazione del modello numerico. Il modello numerico fa riferimento a condizioni stazionarie. Prima è stato implementato per simulare l’andamento della falda nelle condizioni stazionarie ante-operam (I fase); successivamente è stato utilizzato per simulare l’effetto diga del camerone (II fase) e, come terza fase, per simulare l’effetto delle opere di mitigazione dell’effetto diga rappresentate da dreni sub-orizzontali.

Modellazione avanzata di un incendio in uno stabilimento industriale secondo i principi della fire safety engineering

Lo sviluppo di un incendio all’interno di depositi di liquidi infiammabili costituisce uno scenario particolarmente critico a causa della rilevanza delle conseguenze che ne possono scaturire. L’incendio causato dalla formazione di grandi pozze sviluppatesi a seguito di forature dei contenitori e il rapido coinvolgimento di tutto lo stoccaggio rappresentano uno scenario di incendio tipico di queste realtà. Si ha quindi la necessità di adottare provvedimenti atti a garantire specifici obiettivi di sicurezza tramite l’introduzione di misure antincendio. La prevenzione incendi, sino al 2007, era basata esclusivamente su norme di tipo prescrittivo, in base alle quali si definivano le misure di sicurezza secondo un criterio qualitativo. Successivamente l’ingegneria antincendio si è sempre più caratterizzata da approcci basati su analisi di tipo prestazionale, in grado di dimostrare il raggiungimento dell’obiettivo di sicurezza sulla base del comportamento reale d’incendio ottenuto mediante un’accurata simulazione del fuoco che ragionevolmente può prodursi nell'attività. La modellazione degli incendi è divenuta possibile grazie allo sviluppo di codici di fluidodinamica computazionale (CFD), in grado di descrivere accuratamente l’evoluzione delle fiamme. Il presente studio si inserisce proprio nell’ambito della modellazione CFD degli incendi, eseguita mediante il software Fire Dynamics Simulator (FDS). L’obiettivo dell’elaborato è studiare l’azione dell’impianto di spegnimento a schiuma sullo sviluppo di un incendio di pozza in un deposito di liquidi infiammabili, in termini di riduzione della potenza termica rilasciata dal fuoco, al fine di determinare le temperature massime raggiunte, in corrispondenza delle quali valutare il comportamento di resistenza strutturale degli edifici. Il presente lavoro è articolato in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, vengono richiamati nel Capitolo 2 i principali concetti della chimica e fisica degli incendi. Nel Capitolo 3 vengono esaminate le normative intese ad unificare l’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio. Il Capitolo 4 fornisce una dettagliata descrizione del software di calcolo, FDS - Fire Dynamics Simulator, adoperato per la modellazione dell’incendio. Nel Capitolo 5 si procede alla progettazione prestazionale che conduce alla determinazione della curva naturale d'incendio in presenza degli impianti di spegnimento automatici. Infine nel Capitolo 6 si riportano le considerazioni conclusive.

Modellazione della combustione di endoreattori a solido in presenza di difettosità interne al grano

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione della prestazione di endoreattori a propellente solido, è volto all’indagine di particolari metodologie che permettano di considerare la presenza di inclusioni d’aria nel grano. In particolare saranno presentate procedure di gestione della triangolazione, che nel codice utilizzato rappresenta la superficie di combustione, in modo che essa possa ricalcare la superficie del difetto una volta pervenuta nell’area interessata da quest’ultimo. Infine si mostreranno risultati di simulazioni relative a motorizzazioni complete e a porzioni di queste in maniera da evidenziare effetti sulla balistica, dinamiche d’interazione fra più cavità vicine e variazione sul normale tempo di esposizione delle protezioni termiche ai gas caldi. Le conclusioni saranno tratte in relazione al modello balistico utilizzato.

Modellazione elettromeccanica di una macchina automatica opercolatrice

Nella tesi si è studiata una macchina automatica per l'industria farmaceutica: l'Adapta 100, un'opercolatrice (macchina riempi-capsule) prodotta da IMA SpA. Gli scopi della tesi erano chiarire il flusso di potenza dei vari assi e valutare un possibile risparmio energetico. La macchina infatti ha diversi motori: uno, collegato all'asse master, che comanda i gruppi non rimovibili e gli altri che comandano i gruppi di dosaggio. Tali motori in generale, per qualche tratto del ciclo della macchina, potranno lavorare come generatori, anche considerando il solo funzionamento a regime: si avrà cioè, in qualche istante, che le forze esterne tendono ad accelerare il motore, che così assorbe energia meccanica e produce energia elettrica. Attualmente tale energia viene dissipata in apposite resistenze collegate ai motori; ci si è chiesti se non si potesse invece immagazzinare l'energia prodotta, ad esempio per usarla in caso di black-out, per frenare delicatamente la macchina senza che gli assi perdano la fase. Un'alternativa è quella di ridistribuire la potenza generata istante per istante collegando i motori a un comune bus DC. Prima però è necessario conoscere gli andamenti di coppia e velocità di ciascun motore: per questo ci si è ricondotti al modello della macchina a 1 gdl, riducendo tutte le coppie e le inerzie all'asse motore. Si sono studiati i due assi più importanti in termini di coppie e potenze di picco: questi sono l'asse master e l'asse di dosaggio della polvere farmaceutica. Il modello è stato concretamente implementato con degli script MATLAB. Il modello risulta flessibile, per considerare le varie modalità di funzionamento della macchina, e considera i principali termini di coppia, inclusi attriti (inseriti sotto forma di rendimenti) e forze esterne di lavorazione. Tra queste è particolarmente importante la forza di compattazione della polvere, che è stata modellata con la formula di Kawakita, nota dalla letteratura.

Modellazione e simulazione di un quadricottero multirotore

Descrizione e analisi del movimento di piattaforme multirotore tramite modellazione e simulazione computazionale. In particolare è stata analizzata l’attitudine di un quadricottero privo di sistema di controllo automatico. Per la scrittura e l’implementazione degli algoritmi risolutivi è stato utilizzato l’ambiente Matlab. Il codice realizzato permette, dopo successiva introduzione di alcune variabili realative a velivolo ed assetto, di ottenere l’evoluzione di parametri di volo che descrivono lo stato del drone nel tempo attraverso una progressiva integrazione numerica. In questo modo è possibile simulare teoricamente qualunque modello di quadricottero conoscendo i suoi parametri costruttivi, ottenendo così una modellazione preliminare da lanciare nel simulatore. Nella tesi viene utilizzato un unico modello realizzato in CAD Solidworks da cui sono stati ricavati i dati necessari. La tesi si compone di una trattazione semplificata di fattibilità di manovre semplici di un multirotore di tipo quadricottero con un approccio di Eulero-Newton ed, in seguito, in presenza di un carico sospeso tramite cavo considerato inestensibile, si sono analizzate delle evoluzioni nel tempo con un’approccio questa volta lagrangiano. Infine vengono trattati brevemente osservazioni conclusive e possibili sviluppi di questo lavoro di tesi.

Analisi Geologico-Tecnica e modellazione numerica della colata di detrito di Serraglio (Castiglione dei Pepoli)

Le colate detritiche sono manifestazioni parossistiche con trasporto impulsivo di sedimenti lungo la rete idrografica minore che presentano un elevato potere distruttivo. In questo lavoro di tesi si è cercato di descrivere inizialmente le caratteristiche tipiche delle colate di detrito, e le condizioni climatiche e geomorfologiche che tendono a favorirne l’innesco. Verranno poi analizzati, i casi relativi all’Appennino bolognese, prendendo come riferimento le colate rapide di detrito avvenute in località Serraglio (Baragazza) nei pressi del comune di Castiglione dei Pepoli. Nello specifico verrà indagato il fenomeno avvenuto il 31/01/2014, per il quale sono stati effettuati numerosi rilievi morfometrici che hanno portato ad individuare una geometria di dettaglio del canale di flusso e della nicchia di frana, per poter ricostruire i volumi di materiale mobilizzato. In contemporanea alle misure morfometriche si sono effettuate delle indagini sismiche volte a stimare lo spessore della coltre di alterazione presente all’interno del canale prima dell’evento, e a monte della nicchia di frana. Successivamente si è cercato di correlare le misure H/V con le prove MASW effettuate ,senza successo, ciò è probabilmente dovuto dalla difficoltà di indagare spessori così sottili con le MASW. Perciò utilizzando le indagini H/V si è tentato di ricostruire il modello geologico – tecnico alla scala del versante. Infine si è cercato di modellizzare il fenomeno utilizzando il software Dan-W con il quale si sono testati vari modelli reologici fra i quali si sono dimostrati più realistici, in riferimento al caso in esame, il modello frizionale ed il modello di Voellmy. Per questi due modelli è stata quindi effettuata la calibrazione dei parametri, in riferimento dei quali si è visto che, con il modello di Voellmy si è ottenuto un buon valore della distanza percorsa dalla colata, ma una stima delle velocità abbastanza elevate. Il modello frizionale invece ha portato ad una buona stima degli spessori dei depositi, ma sottostimando la distanza che avrebbe potuto percorrere la colata se non avesse incontrato ostacoli.

Modellazione matematica delle dinamiche di rilevamento dell'espressione del gene N-MYC mediante un sensore biomolecolare sintetico

L'espressione del gene MYCN è un importante indicatore della severità del NBL. Poiché il numero di copie di MYCN è un indice grezzo della sua espressione quantificarle utilizzando tecniche come la “fluorescent in situ hybridization” (FISH) può servire a formulare una stima del livello di espressione MYCN [Shapiro 1993]. Tuttavia, l'espressione aberrante di MYCN nel NBL non è sempre associata all'amplificazione genica; pertanto la valutazione diretta del livello di espressione di questo gene sarebbe un miglior indicatore prognostico. Questa tesi è stata sviluppata nell'ambito di un progetto che si propone di realizzare un sensore biomolecolare sintetico per l'identificazione del livello di espressione di MYCN. Di seguito saranno presentati i dettagli relativi alla progettazione della topologia circuitale e all’analisi in silico che sono state condotte per caratterizzare il comportamento dinamico del sistema. Questo lavoro è stato svolto nel laboratorio di Ingegneria Cellulare e Molecolare "S. Cavalcanti", presso la Sede di Cesena del Dipartimento di Ingegneria dell'Energia elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi" (DEI) dell’Ateneo di Bologna.

Indagine geomorfologica e modellazione numerico-idraulica del torrente Ghiaia in prossimità dell'abitato di Monteveglio

L’analisi morfologia e delle dinamiche evolutive di un alveo fluviale rappresenta una componente fondamentale per la gestione e riqualificazione dei corsi d’acqua naturali. Il presente elaborato tratta i principali aspetti dell’analisi geomorfologica fluviale e della modellazione numerico-idraulica per ciò che riguarda la gestione fluviale e la difesa del suolo, in relazione ad un tratto del torrente Ghiaia nei pressi dell’abitato di Monteveglio, seguendo una linea concettuale conforme alle norme regionali e territoriali. La prima fase del lavoro ha messo in evidenza le dinamiche evolutive del corso d’acqua in riferimento ad una scala temporale di circa 30 anni. È stata effettuata un’accurata indagine geomorfologica, confrontando diversi tipi di materiale disponibile: ortofoto e rilievi topografici relativi alla planimetria dell’alveo, alle sezioni trasversali e ai profili longitudinali. La seconda fase del lavoro ha messo in evidenza lo stato di fatto dell’area in studio, avvalendosi di un modello idraulico generato con l’utilizzo del software HEC – RAS 4.2.0. Sono stati simulati differenti scenari di analisi in moto permanente, i quali hanno permesso di verificare l’officiosità idraulica delle sezioni, il conseguente rischio idraulico, quindi di stimare quei valori di portata associati al Tempo di Ritorno che mettono in crisi il sistema, esponendo il centro abitato a situazioni di potenziale allagamento. Lo studio così effettuato ha permesso di ottenere un quadro preliminare delle condizioni idrauliche dell’area in esame, potendo indicare alcune ipotesi di intervento per mettere in sicurezza il territorio ed in particolare il centro abitato di Monteveglio. Gli interventi proposti sono stati mirati al contenimento almeno della piena trentennale e consistono nel risezionamento del tratto in studio e nella gestione della vegetazione, entrambi volti a migliorare il deflusso idrico e garantire l’officiosità idraulica del tratto in studio.

Studio dei criteri di progetto e modellazione numerica di silos in acciaio

La ricerca scientifica oggetto della seguente tesi verte sullo studio di problematiche mosse dalla collaborazione Azienda-Università nell’ambito di sili contenenti materiale granulare, soggetti a sollecitazione sismica. Si è indagato sul comportamento di tali strutture a mezzo di due modelli, uno raffinato e l'altro semplificato, soggetti alle medesime combinazioni. Un aspetto interessante, introdotto nella modellazione, è stato quello di considerare la lamiera corrugata come una piastra ortotropa. Si sono riportate le linee guida per la progettazione e la verifica dei profili in parete sottile. Discussione e validazione dei risultati numerici.

Analisi acustica di una finestra forata: modellazione numerica mediante COMSOL multiphysics

“Immaginate di potervi rilassare a casa in una giornata d’estate tenendo le finestre aperte per lasciare passare la brezza ma senza essere disturbati dai rumori della città, oggi è possibile”. Quello che voglio fare attraverso questa tesi è di studiare la fattibilità per la realizzazione di una finestra che permetta il passaggio dell’aria ma non dei rumori. L’idea di questa particolare finestra silenziosa mi è stata fornita dallo studio fatto dal professor Sang-Hoon Kim del Mokpo National University maritime e dal professor Seong-Hyun Lee del Korea Institute of Machinery and Materials in Corea del Sud. Essi hanno utilizzato i metamateriali acustici per risolvere il problema dell’inquinamento sonoro in città. Queste finestre hanno il vantaggio di tenere i rumori fuori dalla nostra abitazione ma permettere il passaggio dell’aria attraverso dei fori aventi dimensioni e posizioni adeguate da garantire questo particolare fenomeno. I principi su cui si basano queste finestre sono: la diffrazione e i risonatori di Helmholtz, che analizzeremo nel dettaglio nei capitoli 1 e 2 di questa tesi. Dopo aver analizzato i due principi attraverso simulazione fatte mediante il programma COMSOL multiphysics, sono passata all’analisi della finestra vera e propria: ovvero alla realizzazione delle dimensioni adeguate dei risonatori di Helmholtz utilizzati, alle dimensioni dei rispettivi fori d’ingresso e alla combinazione di questi risonatori per ricavare la miglior finestra silenziosa, che trattenesse al suo esterno il maggior numero di dB.

Deposizione di grafene su superfici porose 3D col metodo CVD

L’attività di tesi, svolta presso i laboratori dell’Istituto CNR-IMM di Bologna, si è focalizzata sulla crescita tramite Deposizione Chimica da Fase Vapore di schiume di grafene - network tridimensionali costituiti da fogli di grafene interconnessi, in grado di unire le straordinarie proprietà del grafene ad una elevatissima area superficiale - e sulla loro caratterizzazione, con l’obiettivo di sintetizzare strutture 3D di grafene con una porosità controllata e buone caratteristiche strutturali. Nel primo capitolo della tesi vengono illustrate da un punto di vista generale le caratteristiche e proprietà salienti del grafene, sia dal punto di vista strutturale che fisico. il secondo capitolo è dedicato alle tecniche di produzione del materiale, dall’esfoliazione meccaniche, a quella chimica, per arrivare alle tecniche di crescita vere e proprie. Maggiore attenzione viene chiaramente riservata alla Deposizione Chimica da Fase Vapore, utilizzata poi nell’ambito dell’attività sperimentale svolta. Nel terzo capitolo vengono descritti in dettaglio tutti gli apparati sperimentali utilizzati, sia per la sintesi del materiale (il sistema CVD), che per la sua caratterizzazione (microscopia elettronica a scansione, diffrazione a raggi X, spettroscopia fotoelettronica a raggi X e Raman). Il quarto ed il quinto capitolo sono dedicati alla parte sperimentale vera e propria. Nel quarto si descrive e si discute il processo messo a punto per crescere strutture tridimensionali di grafene a partire da schiume metalliche commerciali, mentre nel quinto vengono infine descritti gli approcci originali messi a punto per la sintesi di strutture con porosità controllata. Nelle conclusioni, infine, oltre a tirare le somme di tutto il lavoro svolto, vengono delineate le prospettive applicative dei materiali prodotti e le attività che sono attualmente in corso relative alla loro caratterizzazione e al loro impiego.

Studio con HEC-RAS di alcuni interventi per miglioramenti della funzionalità idraulica nel territorio del Consorzio di Bonifica della Romagna

Nel lavoro di tesi vengono esposti gli studi svolti su due aree situate nella giurisdizione riminese del Consorzio di Bonifica, riportanti forti problematiche idrauliche nelle reti di scolo: il territorio dei canali Tamagnino e Zonara Masere ed il Rio Gessi. La modellazione dei tratti è avvenuta attraverso i software Hec-Ras ed Hec-Hms, realizzati rispettivamente per l’analisi dei corsi d’acqua nelle pianure alluvionali attraverso la modellazione dell’evoluzione dei livelli e della corrente e per l’analisi dell’idrologia delle superfici di bacino. Il primo studio è dovuto a problematiche verificatesi fin dal 2014 causate da una variazione d’uso del suolo, il secondo studio è dovuto a dissesti idraulici iniziati nel 2013 causati alla presenza di un tombinamento che provoca l’ostruzione del tratto verso valle. Si esegue la modellazione dello stato di fatto per identificare le sezioni ed i manufatti problematici, in secondo luogo si realizzano le modellazioni delle ipotesi di progetto. Si definiscono infine le soluzioni praticabili e la spesa ipotizzata a seguito della realizzazione di un computo metrico estimativo.