CFD modeling of two-phase boiling flows in the slug flow regime with an interface capturing technique

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value.

Studio dell'intrusione salina all'interno di un acquifero freatico costiero (Ravenna; Italia)

L’acquifero freatico costiero ravennate è intensamente salinizzato fino a diversi km nell’entroterra. Il corpo dell’acquifero è formato da sabbie che poggiano su un substrato argilloso ad una profondità media di 25 m, i depositi affioranti sono sabbie e argille. Il lavoro svolto consiste in una caratterizzazione dello stato di salinizzazione con metodologie indirette (geoelettrica) e metodologie dirette (letture dei parametri fisici delle acque in pozzo). I sondaggi elettrici verticali (V.E.S.) mostrano stagionalità dovuta alle differenti quantità di pioggia e quindi di ricarica, le aree con depositi superficiali ad alta conducibilità idraulica (sabbie) hanno una lente d’acqua dolce compresa tra 0,1 e 2,25 m di spessore, al di sotto della quale troviamo una zona di mescolamento con spessori che vanno da 1,00 a 12,00 m, mentre quando in superficie abbiamo depositi a bassa conducibilità idraulica (limi sabbiosi e argille sabbiose) la lente d’acqua dolce scompare e la zona di mescolamento è sottile. Le misure dirette in pozzo mostrano una profondità della tavola d’acqua quasi ovunque sotto il livello del mare in entrambi i mesi monitorati, Giugno e Dicembre 2010, presentando una profondità leggermente maggiore nel mese di Dicembre. Dalla ricostruzione litologica risulta un acquifero composto da 4×109 m3 di sabbia, per cui ipotizzando una porosità media del 30% sono presenti 1,2×109 m3 di acqua. Dalla modellazione numerica (Modflow-SEAWAT 2000) risulta che l’origine dell’acqua salata che si trova in falda trova più facilmente spiegazione ipotizzando la sua presenza fin dalla formazione dell’acquifero, residuo delle acque marine che regredivano. Un’altra problematica analizzata è valutare l’applicazione della metodologia a minifiltri in uno studio sulla salinizzazione delle acque di falda. É stata implementata la costruzione di un transetto sperimentale, che ha permesso la mappatura dell’interfaccia acqua dolce/salmastra/salata con una precisione finora non raggiungibile.

Evoluzione Morfotettonica delle Aree Alpine "Sempione" e "Brennero" attraverso Studi Termocronologici di bassa temperatura

E’ mostrata l’analisi e la modellazione di dati termocronologici di bassa temperatura da due regioni Alpine: il Sempione ed il Brennero. Le faglie distensive presenti bordano settori crostali profondi appartenenti al dominio penninico: il duomo metamorfico Lepontino al Sempione e la finestra dei Tauri al Brennero. I dati utilizzati sono FT e (U-Th)/He su apatite. Per il Sempione i dati provengono dalla bibliografia; per il Brennero si è provveduto ad un nuovo campionamento, sia in superficie che in sotterraneo. Gli attuali lavori per la galleria di base del Brennero (BBT), hanno consentito, per la prima volta, di raccogliere dati di FT e (U-Th)/He in apatite in sottosuolo per la finestra dei Tauri occidentale. Le analisi sono state effettuate tramite un codice a elementi finiti, Pecube, risolvente l’equazione di diffusione del calore per una topografia evolvente nel tempo. Il codice è stato modificato per tener conto dei dati sotterranei. L’inversione dei dati è stata effettuata usando il Neighbourhood Algorithm (NA), per ottenere il più plausibile scenario di evoluzione morfotettonico. I risultati ottenuti per il Sempione mostrano: ipotetica evoluzione dello stile tettonico della faglia del Sempione da rolling hinge a low angle detachment a 6.5 Ma e la cessazione dell’attività a 3 Ma; costruzione del rilievo fino a 5.5 Ma, smantellamento da 5.5 Ma ad oggi, in coincidenza dei cambiamenti climatici Messiniani e relativi all’inizio delle maggiori glaciazioni; incremento dell’esumazione da 0–0.6 mm/anno a 0.6–1.2 mm/anno a 2.4 Ma nell’emisfero settentrionale. I risultati al Brennero mostrano: maggiore attività tettonica della faglia del Brennero (1.3 mm/anno), maggiore attività esumativa (1–2 mm/anno) prima dei 10 Ma; crollo dell’attività della faglia del Brennero fra 10 Ma e oggi (0.1 mm/anno) e dell’attività esumativa nello stesso periodo (0.1–0.3 mm/anno); nessun aumento del tasso esumativo o variazioni topografiche negli ultimi 5 Ma.

Studio e sperimentazione del comportamento vibratorio di una lamella azionata da un attuatore piezoelettrico

Studio di una lamella di acciaio di dimensioni relativamente ridotte, a cui è incollato un attuatore piezoelettrico che ne causa la vibrazione, sfruttando il fenomeno della risonanza. Tale struttura possiede numerose peculiarità geometriche e di funzionamento che ne determinano il comportamento dinamico. Ci si prefigge l’obiettivo di studiare, con l’ausilio di prove sperimentali, il comportamento vibratorio del sistema, al fine di realizzare un modello agli elementi finiti che ne simuli il funzionamento e che sia impiegabile nella previsione degli effetti di modifiche strutturali e dinamiche.

Oxymoron,progetto di un grattacielo direzionale a Shenzhen, Cina applicazione della Soft Kill Option (SKO) nella progettazione architettonica

Lo scopo della tesi è quello di affrontare la progettazione con un approccio,quanto più attuale e per certi versi avanguardista, chiamato Parametric design (progettazione parametrica), accoppiato efficacemente col concetto di Arte generativa (in questo caso Architettura). Già nel 1957 Luigi Moretti affrontò il tema dell’architettura parametrico-generativa fondando l’IRMOU (Istituto per la Ricerca Matematica e Operativa applicata all'Urbanistica) e oggi è una mentalità molto diffusa nei più grandi studi del mondo. Il tema non è solo tecnologico o informatico strumentale, ma è proprio un modo di pensare e immaginare il possibile, costruito o naturale che sia. E’ un modo di vivere la propria creatività. L’aggettivo “generativa” è legato al fatto che l’arte in esame è generata seguendo regole preimpostate e ben definite dal progettista, coerentemente agli obiettivi e alle finalità del progetto. L’evoluzione delle stesse, seguendo relazioni molto semplici, può dar vita a risultati sorprendenti e inaspettati, dotati di una notevole complessità che però, se letta nell’insieme, è perfettamente in armonia con l’idea progettuale di partenza. Il fascino di questa materia è il legame entusiasmante che crea tra architettura, ingegneria, poesia, filosofia, matematica, biologia, fisica, pittura ecc ecc. Questo perché i concetti di evoluzione, di relazione e di generazione appartengono a tutto ciò che ci circonda, e quindi alla concezione umana di vita. E’ possibile in questo modo permeare il costrutto progettuale con principi e regole oggettivamente riconoscibili e apprezzabili dallo spettatore perché instrisi di una forte veridicità processuale. Il titolo "Oxymoron" è la traduzione inglese della figura retorica ossimoro,la quale è strettamente connessa all’ispirazione progettuale: proviene dall’indagine approfondita di processi evolutivi (distruttivi in questo caso) caratterizzanti realtà naturali che, esplorate con sempre più accuratezza, determinano morfologie e forme aventi profonde radici strutturali. La distruzione che crea lo spazio. La genesi stessa della forma segue predominanti algoritmi matematici governati e corretti da variabili di diversa natura che definiscono l'enviroment di influenze interagenti ed agenti sul campione di studio. In questo caso la ricerca è focalizzata su processi erosivi fisici e chimici, di agenti esterni (quali vento e sali rispettivamente) ,di cui materiali inorganici, quali minerali e aggregati degli stessi (rocce), sono soggetti. In particolare, l’interesse è approfondito su fenomeni apparentemente emergenti dei tafoni e dei cosiddetti Micro canyon. A tal scopo si sfrutterà un metodo di soft kill option (SKO) di ottimizzazione topologica (optimization topology) attraverso gli strumenti informatici più idonei quali software di modellazione parametrica e di calcolo computazionale. La sperimentazione sta proprio nell'utilizzare uno strumento concepito per uno scopo, con un'ottica strettamente ingegneristica, per un'altra meta, ossia ricavare e ottenere se possibile un metodo di lavoro o anche solo un processo generativo tale da riprodurre o simulare casi e situazioni riscontrabili in natura negli eventi soggetti a erosione. Il tutto coerente con le regole che stanno alla base della genesi degli stessi. Il parallelismo tra singolarità naturale e architettura risiede nella generazione degli spazi e nella combinazione di questi. L’ambizioso obiettivo è quello di innescare un ciclo generativo, che messo in comunicazione diretta con un contesto variegato ed eterogeneo, dia vita a una soluzione progettuale dall'alto contenuto morfologico e spaziale.

Conversione per il Semantic Web di dati Turistico-Culturali: il progetto QRPlaces - Semantic Events

Il progetto QRPlaces - Semantic Events, oggetto di questo lavoro, focalizza l’attenzione sull’analisi, la progettazione e l’implementazione di un sistema che sia in grado di modellare i dati, relativi a diversi eventi facenti parte del patrimonio turistico - culturale della Regione Emilia Romagna 1, rendendo evidenti i vantaggi associati ad una rappresentazione formale incentrata sulla Semantica. I dati turistico - culturali sono intesi in questo ambito sia come una rappresentazione di “qualcosa che accade in un certo punto ad un certo momento” (come ad esempio un concerto, una sagra, una raccolta fondi, una rappresentazione teatrale e quant’altro) sia come tradizioni e costumi che costituiscono il patrimonio turistico-culturale e a cui si fa spesso riferimento con il nome di “Cultural Heritage”. Essi hanno la caratteristica intrinseca di richiedere una conoscenza completa di diverse informa- zioni correlata, come informazioni di geo localizzazione relative al luogo fisico che ospita l’evento, dati biografici riferiti all’autore o al soggetto che è presente nell’evento piuttosto che riferirsi ad informazioni che descrivono nel dettaglio tutti gli oggetti, come teatri, cinema, compagnie teatrali che caratterizzano l’evento stesso. Una corretta rappresentazione della conoscenza ad essi legata richiede, pertanto, una modellazione in cui i dati possano essere interconnessi, rivelando un valore informativo che altrimenti resterebbe nascosto. Il lavoro svolto ha avuto lo scopo di realizzare un dataset rispondente alle caratteristiche tipiche del Semantic Web grazie al quale è stato possibile potenziare il circuito di comunicazione e informazione turistica QRPlaces 2. Nello specifico, attraverso la conversione ontologica di dati di vario genere relativi ad eventi dislocati nel territorio, e sfruttando i principi e le tecnologie del Linked Data, si è cercato di ottenere un modello informativo quanto più possibile correlato e arricchito da dati esterni. L’obiettivo finale è stato quello di ottenere una sorgente informativa di dati interconnessi non solo tra loro ma anche con quelli presenti in sorgenti esterne, dando vita ad un percorso di collegamenti in grado di evidenziare una ricchezza informativa utilizzabile per la creazione di valore aggiunto che altrimenti non sarebbe possibile ottenere. Questo aspetto è stato realizzato attraverso un’in- terfaccia di MashUp che utilizza come sorgente il dataset creato e tutti i collegamenti con la rete del Linked Data, in grado di reperire informazioni aggiuntive multi dominio.

Macchinario per il disimballo di bobine: dal bisogno al progetto

Ho progettato un sistema semi automatico per il disimballo di bobine di film plastico formato da una rulliera motorizzata, una catenaria a denti di cane, un dispenser di euro pallet e una pinza end-effector. Inoltre mi sono concentrato sullo studio della logistica dei carrelli elevatori dell'azienda, producendo una mappatura dettagliata per individuare percorsi anomali o inefficienze. Prima di dedicarmi a modellazione 3D e calcoli, ho cercato di reperire più informazioni possibili che mi potessero aiutare ad ottenere un prodotto che rispondesse a tutte le specifiche richieste. Per individuare le caratteristiche progettuali su cui concentrarmi ho elaborato delle tabelle QFD, compilate assieme agli operatori addetti al disimballo, ottenendo così un’oggettiva priorità sulle funzioni necessarie. La progettazione ha portato ad un macchinario sicuramente competitivo che risponde a pieno alle funzioni richieste, nei tempi e nei modi dettati dall’azienda.

Verifiche numeriche dello stato di sollecitazione di una struttura alare di un velivolo ultraleggero

Lo scopo del progetto è di calcolare, tramite un modello agli elementi finiti, lo stato di sollecitazione delle parti costituenti l’ala di un velivolo ultraleggero, e di visualizzare i risultati della soluzione del calcolo in maniera grafica. L’aeromobile oggetto di studio è lo Yuma 912 S commercializzato da Alisport, un velivolo di categoria ULM (UltraLeggero Motorizzato) con capacità STOL (Short TakeOff and Landing – decollo ed atterraggio corti). Tutto il lavoro di progettazione, modellazione e calcolo è stato eseguito con un’unica tipologia di programma, CATIA V5, disponibile commercialmente, al fine di evitare conflitti tra diversi programmi CAD (per disegno assistito dal calcolatore) e CAE/FEA (per analisi ingegneristica del prodotto). Il lavoro si è articolato nelle seguenti fasi: progettazione assistita dal calcolatore, sviluppo del modello, valutazione della soluzione. I carichi introdotti nell’analisi sono stati scelti considerando le caratteristiche del velivolo ed il proprio diagramma di manovra, quindi calcolati in maniera teorica e successivamente applicati al modello in esame. La soluzione è stata poi visualizzata tramite simulazione della struttura deformata ed applicazione di una scala di colori sulle zone sottoposte ai diversi stati di sollecitazione.

Progettazione di turbina eolica auto-montante

Descrizione delle attività preliminari di progettazione di una turbina eolica auto-montante. Scopo di questo studio di fattibilità è ridurre la necessità di impiego di gru pesanti per il montaggio delle torri delle turbine eoliche. Nella tesi sono affrontati il progetto concettuale, un disegno di massima del sistema studiato per sollevare autonomamente la torre. Sono inoltre presenti alcune verifiche dei componenti più critici per confermare l'attuabilità della soluzione.

Experimental analysis and FE Modeling of Aluminium alloys Microstructural Evolution in Extrusion

Extrusion is a process used to form long products of constant cross section, from simple billets, with a high variety of shapes. Aluminum alloys are the materials most processed in the extrusion industry due to their deformability and the wide field of applications that range from buildings to aerospace and from design to automotive industries. The diverse applications imply different requirements that can be fulfilled by the wide range of alloys and treatments, that is from critical structural application to high quality surface and aesthetical aspect. Whether one or the other is the critical aspect, they both depend directly from microstructure. The extrusion process is moreover marked by high deformations and complex strain gradients making difficult the control of microstructure evolution that is at present not yet fully achieved. Nevertheless the evolution of Finite Element modeling has reached a maturity and can therefore start to be used as a tool for investigation and prediction of microstructure evolution. This thesis will analyze and model the evolution of microstructure throughout the entire extrusion process for 6XXX series aluminum alloys. Core phase of the work was the development of specific tests to investigate the microstructure evolution and validate the model implemented in a commercial FE code. Along with it two essential activities were carried out for a correct calibration of the model beyond the simple research of contour parameters, thus leading to the understanding and control of both code and process. In this direction activities were also conducted on building critical knowhow on the interpretation of microstructure and extrusion phenomena. It is believed, in fact, that the sole analysis of the microstructure evolution regardless of its relevance in the technological aspects of the process would be of little use for the industry as well as ineffective for the interpretation of the results.

Analisi dell'interazione terreno-struttura per la progettazione di una fondazione su pali di una pila da ponte

Analisi dell'interazione terreno-struttura nel caso di palo singolo caricato assialmente e perpendicolarmente all'asse. Studio analitico e modellazione agli elementi finiti, bidimensionale e tridimensionale. Analisi dell'interazione platea-pali-terreno nel caso di platea su pali. Studio analitico e modellazione agli elementi finiti, bidimensionale e tridimensionale.

Utilizzo delle bande dell’Infrarosso Termico in tecniche di remote sensing per applicazioni in ambito urbano

Il presente studio si concentra sulle diverse applicazioni del telerilevamento termico in ambito urbano. Vengono inizialmente descritti la radiazione infrarossa e le sue interazioni con l’atmosfera terrestre, le leggi principali che regolano lo scambio di calore per irraggiamento, le caratteristiche dei sensori e le diverse applicazioni di termografia. Successivamente sono trattati nel dettaglio gli aspetti caratteristici della termografia da piattaforma satellitare, finalizzata principalmente alla valutazione del fenomeno dell'Urban Heat Island; vengono descritti i sensori disponibili, le metodologie di correzione per gli effetti atmosferici, per la stima dell'emissività delle superfici e per il calcolo della temperatura superficiale dei pixels. Viene quindi illustrata la sperimentazione effettuata sull'area di Bologna mediante immagini multispettrali ASTER: i risultati mostrano come sull'area urbana sia riscontrabile la presenza dell'Isola di Calore Urbano, anche se la sua quantificazione risulta complessa. Si procede quindi alla descrizione di potenzialità e limiti della termografia aerea, dei suoi diversi utilizzi, delle modalità operative di rilievo e degli algoritmi utilizzati per il calcolo della temperatura superficiale delle coperture edilizie. Tramite l’analisi di alcune esperienze precedenti vengono trattati l’influenza dell’atmosfera, la modellazione dei suoi effetti sulla radianza rilevata, i diversi metodi per la stima dell’emissività. Viene quindi introdotto il progetto europeo Energycity, finalizzato alla creazione di un sistema GeoWeb di supporto spaziale alle decisioni per la riduzione di consumi energetici e produzione di gas serra su sette città dell'Europa Centrale. Vengono illustrate le modalità di rilievo e le attività di processing dei datasets digitali per la creazione di mappe di temperatura superficiale da implementare nel sistema SDSS. Viene infine descritta la sperimentazione effettuata sulle immagini termiche acquisite nel febbraio 2010 sulla città di Treviso, trasformate in un mosaico georiferito di temperatura radiometrica tramite correzioni geometriche e radiometriche; a seguito della correzione per l’emissività quest’ultimo verrà trasformato in un mosaico di temperatura superficiale.

Sviluppo e validazione di un codice per il calcolo e la verifica di edifici industriali in acciaio

In questa Tesi di Laurea viene presentata un’interessante esperienza di implementazione numerica: lo sviluppo di un codice agli elementi finiti in grado di calcolare, verificare e ottimizzare edifici industriali in acciaio. Al giorno d’oggi, la tendenza delle imprese nel campo dell’ingegneria strutturale ed in particolare nel campo dell’edilizia industriale, è quella della specializzazione. E’ sempre più frequente, ad esempio nel campo dei capannoni industriali, che le aziende concentrino la loro attività solo su determinate tipologie costruttive, sulle quali ottimizzano il lavoro riducendo al massimo i tempi di progettazione, di costruzione e abbassando il prezzo. Il mondo dei programmi di calcolo, per la maggior parte, sembra aver preso una direzione di sviluppo opposta. Le case di produzione software mettono a disposizione dei progettisti strumenti sempre più raffinati, capaci di modellare dettagliatamente qualsiasi tipo di struttura, materiale, azione statica o dinamica; spesso questi programmi contengono anche un codice integrato CAD per il disegno della struttura e altri tools per lasciare all’utente la più grande libertà di azione possibile. Se da un lato questi strumenti danno al progettista la possibilità di una modellazione sempre più dettagliata, dall’altra parte hanno il limite di essere poco pratici per un tipo di progettazione standardizzato. Spesso quello di cui le imprese hanno bisogno è invece un programma creato ‘ad hoc’ per le loro attività che, grazie all’inserimento di pochi parametri, possa garantire una progettazione rapida e magari gestire non solo la fase di calcolo, ma anche quella di verifica e di ottimizzazione. In quest’ottica si inserisce lo sviluppo del codice eseguito in questa tesi. L’esposizione si articola in quattro parti. La prima, introduttiva, è dedicata alla descrizione delle tipologie di edifici monopiano in acciaio maggiormente diffuse, dei diversi tipi materiale, dei principali aspetti della normativa per queste costruzioni. Viene inoltre descritta la tipologia costruttiva implementata nel codice sviluppato. Il secondo capitolo è dedicato alla descrizione del metodo agli elementi finiti, esponendone i fondamenti teorici e le principali fasi della costruzione di un codice di calcolo numerico per elementi monodimensionali. Nella terza parte è illustrato il codice sviluppato. In particolare vengono dettagliatamente descritti i moduli di generazione del modello, del solutore, del post-processore in grado di eseguire le verifiche secondo le normative vigenti, e quello dedicato all’ottimizzazione strutturale. In fine, nell’ultimo capitolo viene illustrato un esempio progettuale con il quale si è potuta effettuare la validazione del codice confrontando i risultati ottenuti con quelli di riferimento forniti da programmi attualmente in commercio. La presente dissertazione non mira alla “certificazione” di un software che sia in grado di fare calcoli complessi nell’ambito dell’ingegneria strutturale, ma lo scopo è piuttosto quello di affrontare le problematiche e gestire le scelte operative che riguardano la scrittura di un codice di calcolo. Programmatori non si nasce, ma si diventa attraverso anni di esperienza che permettono di acquisire quella sensibilità numerica che è definibile come una vera e propria “arte”. Ed è in questa direzione che si è svolta la Tesi, ovvero comprendere prima di tutto l’atteggiamento da assumere nei confronti di un elaboratore elettronico e, solo successivamente, passare ad un utilizzo consapevole per scopi progettuali.

Riduzione del rumore nelle misure di deformazione tramite correlazione digitale di immagini

L'elaborato si propone di esplorare e mettere a punto metodi di filtraggio del rumore nelle misure di deformazione tramite correlazione digitale di immagini. Tali strategie vengono perseguite inizialmente tramite filtraggio delle immmagini in ingresso, successivamente tramite filtraggio nel dominio delle frequenze spaziali delle distribuzioni di deformazione ed infine tramite filtraggio nel dominio temporale di immagini e distribuzioni di deformazione.

Methods for Clearance Influence Analysis in Planar and Spatial Mechanisms

This doctoral dissertation presents a new method to asses the influence of clearancein the kinematic pairs on the configuration of planar and spatial mechanisms. The subject has been widely investigated in both past and present scientific literature, and is approached in different ways: a static/kinetostatic way, which looks for the clearance take-up due to the external loads on the mechanism; a probabilistic way, which expresses clearance-due displacements using probability density functions; a dynamic way, which evaluates dynamic effects like the actual forces in the pairs caused by impacts, or the consequent vibrations. This dissertation presents a new method to approach the problem of clearance. The problem is studied from a purely kinematic perspective. With reference to a given mechanism configuration, the pose (position and orientation) error of the mechanism link of interest is expressed as a vector function of the degrees of freedom introduced in each pair by clearance: the presence of clearance in a kinematic pair, in facts, causes the actual pair to have more degrees of freedom than the theoretical clearance-free one. The clearance-due degrees of freedom are bounded by the pair geometry. A proper modelling of clearance-affected pairs allows expressing such bounding through analytical functions. It is then possible to study the problem as a maximization problem, where a continuous function (the pose error of the link of interest) subject to some constraints (the analytical functions bounding clearance- due degrees of freedom) has to be maximize. Revolute, prismatic, cylindrical, and spherical clearance-affected pairs have been analytically modelled; with reference to mechanisms involving such pairs, the solution to the maximization problem has been obtained in a closed form.