Design Optimization of Nozzle Shapes for Maximum Uniformity of Exit Flow

The objective of this study is to identify the optimal designs of converging-diverging supersonic and hypersonic nozzles that perform at maximum uniformity of thermodynamic and flow-field properties with respect to their average values at the nozzle exit. Since this is a multi-objective design optimization problem, the design variables used are parameters defining the shape of the nozzle. This work presents how variation of such parameters can influence the nozzle exit flow non-uniformities. A Computational Fluid Dynamics (CFD) software package, ANSYS FLUENT, was used to simulate the compressible, viscous gas flow-field in forty nozzle shapes, including the heat transfer analysis. The results of two turbulence models, k-e and k-ω, were computed and compared. With the analysis results obtained, the Response Surface Methodology (RSM) was applied for the purpose of performing a multi-objective optimization. The optimization was performed with ModeFrontier software package using Kriging and Radial Basis Functions (RBF) response surfaces. Final Pareto optimal nozzle shapes were then analyzed with ANSYS FLUENT to confirm the accuracy of the optimization process.

The study of thermal stresses in a single long elastic fiber embedded in an infinite matrix

This work considered the micro-mechanical behavior of a long fiber embedded in an infinite matrix. Using the theory of elasticity, the idea of boundary layer and some simplifying assumptions, an approximate analytical solution was obtained for the normal and shear stresses along the fiber. The analytical solution to the problem was found for the case when the length of the embedded fiber is much greater than its radius, and the Young's modulus of the matrix was much less than that of the fiber. The analytical solution was then compared with a numerical solution based on Finite Element Analysis (FEA) using ANSYS. The numerical results showed the same qualitative behavior of the analytical solution, serving as a validation tool against lack of experimental results. In general this work provides a simple method to determine the thermal stresses along the fiber embedded in a matrix, which is the foundation for a better understanding of the interaction between the fiber and matrix in the case of the classical problem of thermal-stresses.

Experimental and modeling studies of forced convection storage and drying systems for sweet potatoes

Sweet potato is an important strategic agricultural crop grown in many countries around the world. The roots and aerial vine components of the crop are used for both human consumption and, to some extent as a cheap source of animal feed. In spite of its economic value and growing contribution to health and nutrition, harvested sweet potato roots and aerial vine components has limited shelf-life and is easily susceptible to post-harvest losses. Although post-harvest losses of both sweet potato roots and aerial vine components is significant, there is no information available that will support the design and development of appropriate storage and preservation systems. In this context, the present study was initiated to improve scientific knowledge about sweet potato post-harvest handling. Additionally, the study also seeks to develop a PV ventilated mud storehouse for storage of sweet potato roots under tropical conditions. In study one, airflow resistance of sweet potato aerial vine components was investigated. The influence of different operating parameters such as airflow rate, moisture content and bulk depth at different levels on airflow resistance was analyzed. All the operating parameters were observed to have significant (P < 0.01) effect on airflow resistance. Prediction models were developed and were found to adequately describe the experimental pressure drop data. In study two, the resistance of airflow through unwashed and clean sweet potato roots was investigated. The effect of sweet potato roots shape factor, surface roughness, orientation to airflow, and presence of soil fraction on airflow resistance was also assessed. The pressure drop through unwashed and clean sweet potato roots was observed to increase with higher airflow, bed depth, root grade composition, and presence of soil fraction. The physical properties of the roots were incorporated into a modified Ergun model and compared with a modified Shedd’s model. The modified Ergun model provided the best fit to the experimental data when compared with the modified Shedd’s model. In study three, the effect of sweet potato root size (medium and large), different air velocity and temperature on the cooling/or heating rate and time of individual sweet potato roots were investigated. Also, a simulation model which is based on the fundamental solution of the transient equations was proposed for estimating the cooling and heating time at the centre of sweet potato roots. The results showed that increasing air velocity during cooling and heating significantly (P < 0.05) affects the cooling and heating times. Furthermore, the cooling and heating times were significantly different (P < 0.05) among medium and large size sweet potato roots. Comparison of the simulation results with experimental data confirmed that the transient simulation model can be used to accurately estimate the cooling and heating times of whole sweet potato roots under forced convection conditions. In study four, the performance of charcoal evaporative cooling pad configurations for integration into sweet potato roots storage systems was investigated. The experiments were carried out at different levels of air velocity, water flow rates, and three pad configurations: single layer pad (SLP), double layers pad (DLP) and triple layers pad (TLP) made out of small and large size charcoal particles. The results showed that higher air velocity has tremendous effect on pressure drop. Increasing the water flow rate above the range tested had no practical benefits in terms of cooling. It was observed that DLP and TLD configurations with larger wet surface area for both types of pads provided high cooling efficiencies. In study five, CFD technique in the ANSYS Fluent software was used to simulate airflow distribution in a low-cost mud storehouse. By theoretically investigating different geometries of air inlet, plenum chamber, and outlet as well as its placement using ANSYS Fluent software, an acceptable geometry with uniform air distribution was selected and constructed. Experimental measurements validated the selected design. In study six, the performance of the developed PV ventilated system was investigated. Field measurements showed satisfactory results of the directly coupled PV ventilated system. Furthermore, the option of integrating a low-cost evaporative cooling system into the mud storage structure was also investigated. The results showed a reduction of ambient temperature inside the mud storehouse while relative humidity was enhanced. The ability of the developed storage system to provide and maintain airflow, temperature and relative humidity which are the key parameters for shelf-life extension of sweet potato roots highlight its ability to reduce post-harvest losses at the farmer level, particularly under tropical climate conditions.

Analisi del comportamento di serbatoi di gas naturale liquefatto per applicazioni di propulsione navale in scenari di incendio

Il presente lavoro di tesi vuole focalizzare l’attenzione sull’impiego del GNL per la propulsione navale, analizzando aspetti legati alla sicurezza delle infrastrutture necessarie a tale scopo. Si sono considerati due diversi casi di studio: il primo riguarda un deposito costiero attrezzato per poter svolgere attività di rifornimento per imbarcazioni, mentre il secondo caso interessa una nave da trasporto passeggeri alimentata a GNL. È stata condotta un’analisi del rischio: l’identificazione dei pericoli ha seguito le linee guida proposte dalla metodologia MIMAH, oltre a sfruttare risultati di analisi HAZOP e HAZID. La stima delle frequenze di rilascio è stata effettuata con la tecnica della parts count, sulla base di valori ottenuti da database affidabilistici. La valutazione delle conseguenze è stata realizzata con il supporto del software DNV PHAST, utilizzando come riferimento i valori soglia proposti dal D.M. 9/5/2001. È stata infine impostata una modellazione fluidodinamica con lo scopo di valutare la possibilità di rottura catastrofica dei serbatoi di stoccaggio dovuta ad un’eccessiva pressurizzazione causata da una situazione di incendio esterno. Le simulazioni sono state condotte con il supporto del software CFD ANSYS® FLUENT® 17.2. Si è modellata una situazione di completo avvolgimento dalle fiamme considerando due geometrie di serbatoio diverse, nel caso di materiale isolante integro o danneggiato. I risultati ottenuti dall’analisi del rischio mostrano come i danni derivanti da un ipotetico scenario incidentale possano avere conseguenze anche significative, ma con valori di frequenze di accadimento tipici di situazioni rare. Lo studio fluidodinamico del comportamento di serbatoi di stoccaggio avvolti dalle fiamme ha evidenziato come questi siano capaci di resistere a condizioni gravose di incendio per tempi prolungati senza che si abbia una pressurizzazione tale da destare preoccupazione per l’integrità strutturale delle apparecchiature.

Progettazione e calcolo strutturale di un serbatoio pressurizzato in alluminio per vettura ibrida

L’obiettivo della tesi è mettere a punto una metodologia che permetta di eseguire simulazioni sul comportamento di un serbatoio pressurizzato in alluminio di una vettura supersportiva ibrida.Verrà analizzato il sistema costituito dal serbatoio e da quattro bretelle di fissaggio, così da poter simulare differenti metodi di montaggio del serbatoio e valutare le tensioni generate dal fissaggio stesso. Lo strumento di lavoro utilizzato è ANSYS Mechanical, un software incluso nel pacchetto ANSYS Workbench che implementa un metodo di calcolo numerico agli elementi finiti. Per validare il modello sono stati testati in pressione due serbatoi, che e successivamente sono stati scansionati: la correlazione tra i dati sperimentali e le simulazioni ha mostrato che il modello, seppur semplificato, risulta sufficientemente accurato. Dopo i riscontri positivi avuti dalla validazione, sono stati applicati al modello sia carichi statici che ciclici, al fine di esprimere un giudizio sulla resistenza strutturale statica e a fatica del serbatoio. Successivamente, l’individuazione dei principali parametri di interesse ha consentito di effettuare la parametrizzazione del modello e l’ottimizzazione dei parametri. Ciò ha permesso di elaborare ulteriori considerazioni, sulla base delle quali sono stati forniti gli input di progettazione.

Optimization and development of low environmental impact propulsion systems

The aim of the Ph.D. research project was to explore Dual Fuel combustion and hybridization. Natural gas-diesel Dual Fuel combustion was experimentally investigated on a 4-Stroke, 2.8 L, turbocharged, light-duty Diesel engine, considering four operating points in the range between low to medium-high loads at 3000 rpm. Then, a numerical analysis was carried out using a customized version of the KIVA-3V code, in order to optimize the diesel injection strategy of the highest investigated load. A second KIVA-3V model was used to analyse the interchangeability between natural gas and biogas on an intermediate operating point. Since natural gas-diesel Dual Fuel combustion suffers from poor combustion efficiency at low loads, the effects of hydrogen enriched natural gas on Dual Fuel combustion were investigated using a validated Ansys Forte model, followed by an optimization of the diesel injection strategy and a sensitivity analysis to the swirl ratio, on the lowest investigated load. Since one of the main issues of Low Temperature Combustion engines is the low power density, 2-Stroke engines, thanks to the double frequency compared to 4-Stroke engines, may be more suitable to operate in Dual Fuel mode. Therefore, the application of gasoline-diesel Dual Fuel combustion to a modern 2-Stroke Diesel engine was analysed, starting from the investigation of gasoline injection and mixture formation. As far as hybridization is concerned, a MATLAB-Simulink model was built to compare a conventional (combustion) and a parallel-hybrid powertrain applied to a Formula SAE race car.

Analisi strutturale del cerchione in materiale composito del veicolo solare Emilia 5

La finalità della tesi è quella di poter progettare il cerchione del veicolo solare "Emilia 5" in materiale composito. Questa auto è l’evoluzione della "Emilia 4", sviluppata dalla squadra Onda Solare in collaborazione con l’Università di Bologna, con cui sono state vinte molte gare. Tramite software (Ansys) è stato realizzato il modello virtuale del cerchione in fibra di carbonio e, con l'ausilio dell'analisi agli elementi finiti, ne è stata verificata la stabilità, sottoponendolo a cinque condizioni di carico diverse. Lo studio approfondisce le tematiche riguardanti i materiali compositi, il concetto di sequenza di laminazione e come varia la distribuzione delle tensioni al variare di esse. In particolare, viene analizzato con attenzione lo studio tramite software della sequenza di laminazione che permette di ottenere i risultati migliori per il tipo di applicazione. Infine, vengono confrontati i dati ottenuti dalle simulazioni effettuate, per l'analisi e lo studio dei dati significativi.

Progettazione e modellazione numerica di un elemento strutturale per il telaio dell’auto solare Emilia 5

Nel seguente elaborato viene ripercorso il lavoro svolto per la progettazione di un box batterie in materiale composito e in particolare il relativo sistema di fissaggio al telaio che verrà utilizzato per l’auto solare Emilia 5. Questo prototipo di veicolo, che viene sviluppato dai membri del team Onda Solare presso l’azienda Metal TIG a Castel San Pietro Terme (BO), è un’auto completamente elettrica che sfrutta l’energia solare attraverso pannelli fotovoltaici e la cui propulsione è garantita dalla sola energia accumulata nelle batterie. Emilia 5 gareggerà all’evento World Solar Challenge 2023 in Australia, competizione riservata alle auto solari che vede impegnati teams da tutto il mondo. L’elaborato mostra inizialmente la modellazione geometrica tridimensionale delle parti sviluppata attraverso il software Solidworks, analizzandone i dettagli funzionali. In seguito, tramite il software Ansys Workbench, vengono eseguite simulazioni agli elementi finiti verificando che i componenti, considerati in alluminio, rispondano correttamente ai carichi imposti. Per ultimo, vengono menzionati i materiali compositi in fibra di carbonio e si analizza la sequenza di laminazione relativa alla scatola delle batterie. I risultati ottenuti saranno utilizzati dal team Onda Solare come punto di riferimento per la realizzazione dei componenti di Emilia 5.

Sviluppo di un codice per il calcolo delle frequenze naturali di cavità acustiche e strutture per applicazioni aeronautiche

Lo scopo di questo lavoro è lo sviluppo, mediante il linguaggio di programmazione Python, di un applicativo per il calcolo e la visualizzazione di frequenze naturali per strutture e cavità. L’applicativo consiste di un’interfaccia grafica e di una libreria nella quale si trovano le diverse tipologie di strutture e cavità presenti in letteratura. I vari sistemi possono essere vincolati da diverse condizioni al contorno e sono inoltre costituiti da materiali isotropi, nel caso di strutture, e fluidi, nel caso di cavità. La prima parte del lavoro comprende la codifica delle soluzioni analitiche per l’analisi modale. La seconda fase è, invece, incentrata sulla validazione del codice, utilizzando un software commerciale per la comparazione di frequenze naturali e forme dei modi.

Analisi numerica e sperimentale di un soft-gripper Fin Ray integrato con un dispositivo elettroadesivo

Una delle applicazioni maggiormente richieste in ambito industriale è quella della presa e movimentazioni di oggetti. Questa tipologia di operazione trova diverse soluzioni nel mondo della robotica e automazione. Nella loro forma più comune un dispositivo di presa si presenta come una pinza motorizzata attraverso la quale è possibile eseguire l’afferraggio di oggetti. Tra essi si possono distinguere i Soft Gripper, ovvero quella classe di pinze che ricorrono a componenti flessibili e parti in materiali soffici che nell’azione di presa si conformano all’oggetto per deformazione dei componenti. Un esempio di questa tipologia di strumenti di presa è il Fin Ray. Tuttavia, questa tipologia di soft-gripper possiede delle limitazioni, come il carico massimo movimentabile determinato sostanzialmente dalla rigidezza della struttura. In questo contesto, al fine di superare tale limite, viene proposto di implementare sulla superficie di contatto un dispositivo a film-sottile elettroadesivo, per generare forze di taglio superficiali per principio elettrostatico, che aumentino la capacità di sollevamento del soft-gripper senza intaccare la sua caratteristica principale di conformità. Lo scopo della tesi è proprio un’analisi numerica e sperimentale di un Fin Ray integrato con un dispositivo elettroadesivo, con lo scopo di analizzare la forza scambiata con un oggetto. Il gripper progettato in questo lavoro, è così prima simulato, e poi realizzato in laboratorio per eseguire la caratterizzazione sperimentale. Gli esperimenti sono stati condotti su un banco prova per la misurazione della forza di contatto scambiata durante l’afferraggio. Per ottenere una validazione del modello sviluppato, sono stati realizzati dei gripper con due differenti materiali altamente deformabili, e con una combinazione di parametri fondamentali diversi, come la posizione e la dimensione dell’oggetto in presa, ottenendo infine una caratterizzazione completa del gripper sviluppato.

Studio, progettazione e sviluppo della nuova soluzione a velocità incrementata per dispositivi di taglio

Il mondo delle macchine automatiche è in costante evoluzione, ed è in questo contesto che si colloca l’attività di analisi e progettazione oggetto di questo studio. Tutto questo è stato svolto presso l’azienda G.D S.p.A. All’interno dell’Ufficio Tecnico dell’azienda, in collaborazione con l’Ufficio Calcolo, è stata analizzata la resistenza dei componenti, il comportamento deformativo e lo stato tensionale di una testa di taglio principalmente per filtri e cannucce, con lo scopo di sviluppare una nuova soluzione a velocità incrementata, già presente in diverse macchine automatiche e che verrà implementata in molte altre ancora in fase di produzione e progettazione. A tale scopo vengono effettuate diverse verifiche sui componenti, confrontando continuamente i risultati con la situazione attuale di funzionamento e con innovative simulazioni dinamiche e FEM, sull’intero assieme, con lo scopo di prendere in considerazione il maggior numero di contributi alle sollecitazioni, alle deformazioni ed alle vibrazioni possibili, che potrebbero causare criticità o malfunzionamenti del sistema, modellando nel modo più realistico possibile il funzionamento e la movimentazione del meccanismo. L’attuale produttività massima della macchina si attesta su 5000 pz/min con una velocità di rotazione della testa di taglio di 2500 rpm. L’analisi e il miglioramento del sistema ha l’obiettivo di aumentare la velocità di produzione, e quindi di rotazione, a 6000 pz/min e 3000 rpm. Viene infine analizzata la nuova soluzione, verificando anche con prove di funzionamento la validità delle simulazioni e della riprogettazione effettuati. Sono stati studiati e presi in considerazione tutti gli aspetti fondamentali della testa di taglio, nel suo assieme e di ogni suo componente, con lo scopo di migliorarne le prestazioni e la produttività garantendo la sicurezza del meccanismo e al tempo stesso un funzionamento ottimale con la creazione di un prodotto di ottima qualità.

Analisi delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura e stoccaggio

Oggi si sta assistendo sempre più ad un consumo maggiore di energia, proveniente soprattutto da fonti fossili. Tuttavia, occorre evidenziare l’aspetto negativo correlato a tutto questo: l’incremento del rilascio di gas ad effetto serra, responsabili del fenomeno del surriscaldamento globale. La Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) è stata riconosciuta come tecnologia strategica per raggiungere l’obiettivo dell’azzeramento delle emissioni entro il 2050. Lo scopo della tesi è effettuare la valutazione delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura, esprimendole in termini di distanze di danno per l’uomo e per le apparecchiature. Dopo il Capitolo 1, dal carattere introduttivo e in cui si spiega il perché si renda necessaria la cattura della CO2, il Capitolo 2 fornisce i valori di pericolosità della CO2 relativi agli effetti tossici e termici, in termini di concentrazioni e temperature soglia; inoltre, illustra i codici DNV PHAST, NIST FDS e Ansys FLUENT, utilizzati per effettuare la valutazione delle conseguenze. A seguire, il Capitolo 3 presenta un impianto di cattura della CO2 assunto come caso di studio, fornendo la descrizione del funzionamento dell’impianto e riportandone i documenti principali, quali il PFD e la mappa del layout. Inoltre, vengono individuati gli scenari di rilascio e sono specificate le condizioni ambientali considerate ai fini della modellazione della dispersione. Il Capitolo 4 riporta i risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate con i software di modellazione illustrati nel Capitolo 2, effettuando un’analisi comparativa delle distanze di danno, corredata di un’ampia discussione. Il Capitolo 5, infine, riporta le considerazioni conclusive del lavoro di tesi e delinea alcuni possibili sviluppi futuri delle indagini.