Developing a new SVPWM control strategy for open-winding brushless doubly fed reluctance generators

In this paper, a new open-winding control strategy is proposed for a brushless doubly fed reluctance generator (BDFRG) used for stand-alone wind turbine or ship generators. The BDFRG is characterized with two windings on the stator: a power winding and a control winding. The control winding is fed with dual two-level three-phase converters, and a vector control scheme based on space vector pulsewidth modulation is designed. Compared with traditional three-level inverter systems, the dc-link voltage and the voltage rating of power devices in the proposed system are reduced by 50% while still greatly improving the reliability, redundancy, and fault tolerance of the proposed system by increasing the switching modes. Its performance is evaluated by simulation in MATLAB/Simulink and an experimental study on a 42-kW prototype machine.

On the role of surface roughness in the aerodynamic performance and energy conversion of horizontal wind turbine blades:a review

Summary: Renewable energy is one of the main pillars of sustainable development, especially in developing economies. Increasing energy demand and the limitation of fossil fuel reserves make the use of renewable energy essential for sustainable development. Wind energy is considered to be one of the most important resources of renewable energy. In North African countries, such as Egypt, wind energy has an enormous potential; however, it faces quite a number of technical challenges related to the performance of wind turbines in the Saharan environment. Seasonal sand storms affect the performance of wind turbines in many ways, one of which is increasing the wind turbine aerodynamic resistance through the increase of blade surface roughness. The power loss because of blade surface deterioration is significant in wind turbines. The surface roughness of wind turbine blades deteriorates because of several environmental conditions such as ice or sand. This paper is the first review on the topic of surface roughness effects on the performance of horizontal-axis wind turbines. The review covers the numerical simulation and experimental studies as well as discussing the present research trends to develop a roadmap for better understanding and improvement of wind turbine performance in deleterious environments.

Radially rotating miniature heat pipes for turbine blade cooling applications

Aerospace turboengines present a demanding challenge to many heat transfer scientists and engineers. Designers in this field are seeking the best design to transform the chemical energy of the fuel into the useful work of propulsive thrust at maximum efficiency. To this aim, aerospace turboengines must operate at very high temperatures and pressures with very little heat losses. These requirements are often in conflict with the ability to protect the turboengine blades from this hostile thermal environment. Heat pipe technology provides a potential cooling means for the structure exposed to high heat fluxes. Therefore, the objective of this dissertation is to develop a new radially rotating miniature heat pipe, which would combine the traditional air-cooling technology with the heat pipe for more effective turboengine blade cooling. ^ In this dissertation, radially rotating miniature heat pipes are analyzed and studied by employing appropriate flow and heat transfer modeling as well as experimental tests. The analytical solutions for the flows of condensate film and vapor, film thickness, and vapor temperature distribution along the heat pipe length are derived. The diffuse effects of non-condensable gases on the temperature distribution along the heat pipe length are also studied, and the analytical solutions for the temperature distributions with the diffuse effects of non-condensable gases are obtained. Extensive experimental tests on radially rotating miniature heat pipes with different influential parameters are undertaken, and various effects of these parameters on the operation of the heat pipe performance are researched. These analytical solutions are in good agreement with the experimental data. ^ The theoretical and experimental studies have proven that the radially rotating miniature heat pipe has a very large heat transfer capability and a very high effective thermal conductance that is 60–100 times higher than the thermal conductivity of copper. At the same time, the heat pipe has a simple structure and low manufacturing cost, and can withstand strong vibrations and work in a high-temperature environment. Therefore, the combination of the traditional air-cooling technology with the radially rotating miniature heat pipe is a feasible and effective cooling means for high-temperature turbine blades. ^

Tubular and sector heat pipes with interconnected branches for gas turbine and/or compressor cooling

Designing turbines for either aerospace or power production is a daunting task for any heat transfer scientist or engineer. Turbine designers are continuously pursuing better ways to convert the stored chemical energy in the fuel into useful work with maximum efficiency. Based on thermodynamic principles, one way to improve thermal efficiency is to increase the turbine inlet pressure and temperature. Generally, the inlet temperature may exceed the capabilities of standard materials for safe and long-life operation of the turbine. Next generation propulsion systems, whether for new supersonic transport or for improving existing aviation transport, will require more aggressive cooling system for many hot-gas-path components of the turbine. Heat pipe technology offers a possible cooling technique for the structures exposed to the high heat fluxes. Hence, the objective of this dissertation is to develop new radially rotating heat pipe systems that integrate multiple rotating miniature heat pipes with a common reservoir for a more effective and practical solution to turbine or compressor cooling. In this dissertation, two radially rotating miniature heat pipes and two sector heat pipes are analyzed and studied by utilizing suitable fluid flow and heat transfer modeling along with experimental tests. Analytical solutions for the film thickness and the lengthwise vapor temperature distribution for a single heat pipe are derived. Experimental tests on single radially rotating miniature heat pipes and sector heat pipes are undertaken with different important parameters and the manner in which these parameters affect heat pipe operation. Analytical and experimental studies have proven that the radially rotating miniature heat pipes have an incredibly high effective thermal conductance and an enormous heat transfer capability. Concurrently, the heat pipe has an uncomplicated structure and relatively low manufacturing costs. The heat pipe can also resist strong vibrations and is well suited for a high temperature environment. Hence, the heat pipes with a common reservoir make incorporation of heat pipes into turbo-machinery much more feasible and cost effective.

Definizione e validazione di uno strumento per la misurazione dell'impatto delle variabili redazionali di un item matematico sulla performance degli studenti

Questa tesi descrive la ricerca condotta tra l'autunno e l'inverno di quest'anno da un gruppo di ricercatori in didattica della matematica relativamente all'influenza che le variazioni redazionali di un quesito matematico hanno sulle performance degli studenti. Lo scopo della ricerca è quella di strutturare e validare una metodologia e uno strumento che permettano di individuare e quantificare l'influenza delle variazioni del testo sulle prestazioni dello studente. Si è sentita l'esigenza di condurre uno studio di questo tipo poichè è sempre più evidente il profondo legame tra il linguaggio e l'apprendimento della matematica. La messa a punto di questo strumento aprirebbe le porte a una serie di ricerche più approfondite sulle varie tipologie di variazioni numeriche e/o linguistiche finora individuate. Nel primo capitolo è presentato il quadro teorico di riferimento relativo agli studi condotti fino ad ora nell'ambito della didattica della matematica, dai quali emerge la grossa influenza che la componente linguistica ha sulla comprensione e la trasmissione della matematica. Si farà quindi riferimento alle ricerche passate volte all'individuazione e alla schematizzazione delle variazioni redazionali dei Word Problems. Nel secondo capitolo, invece si passerà alla descrizione teorica relativa allo strumento statistico utilizzato. Si tratta del modello di Rasch appartenente alla famiglia dei modelli statistici dell'Item Response Theory, particolarmente utilizzato nella ricerca in didattica. Il terzo capitolo sarà dedicato alla descrizione dettagliata della sperimentazione svolta. Il quarto capitolo sarà il cuore di questa tesi; in esso infatti verrà descritta e validata la nuova metodologia utilizzata. Nel quinto sarà eseguita un analisi puntuale di come lo strumento ha messo in evidenza le differenze per ogni item variato. Infine verranno tratte le conclusioni complessive dello studio condotto.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.

Simulazione della bradicinesia in soggetti parkinsoniani attraverso modello neurale

I Gangli della Base svolgono un ruolo molto importante nel movimento volontario, ovvero nel meccanismo di azione-selezione, e la loro influenza è evidente soprattutto in alcune patologie che ancora ad oggi sono in fase di studio: una di queste è il Morbo di Parkinson. I Gangli della Base comprendono quattro formazioni nervose: lo striato, il globus pallidus, la substantia nigra e il nucleo subtalamico: essi ricevono le principali afferenze dalla corteccia cerebrale ed inviano le principali efferenze al tronco dell’encefalo, e, per mezzo del talamo, alle corteccia prefrontale, premotoria e motrice. A differenza della maggior parte delle altre componenti dei sistemi motori, i Gangli della Base non stabiliscono direttamente né connessioni afferenti, né efferenti con il midollo spinale. Il compito principale svolto dai Gangli dDella Base è la selezione di un’azione: esso permette ad un’azione di essere selezionata rispetto ad un’altra, che in questo modo viene inibita. La descrizione dell’anatomia, dei meccanismi fisiologici e del Morbo di Parkinson è trattata nel Capitolo 1. In questo elaborato è utilizzato il modello computazionale di Mauro Ursino e Chiara Baston, che sarà illustrato dettagliatamente nel Capitolo 2, riguardante il meccanismo di azione-selezione svolto dai Gangli della Base. E’ descritto un sistema di valutazione di un paziente parkinsoniano, il tapping test: esso consiste in un movimento alternato del dito e ad oggi risulta essere uno dei metodi più semplici per ottenere informazioni sulla gravità della bradicinesia. L’obiettivo di questo lavoro è quello di comprendere, tramite l’analisi di simulazioni effettuate per mezzo del modello computazionale di Mauro Ursino e Chiara Baston, come la frequenza di tapping dipenda dal variare di alcuni parametri delle equazioni del modello: gli effetti dovuti alla variazione di un singolo parametro o più di uno, saranno mostrati nel Capitolo 3.

Simulazione della risposta dei radiometri satellitari nelle microonde AMSU-B e MHS per il retrieval della precipitazione nevosa e studio di sensibilità dell’algoritmo 183-WSL

Il lavoro di questa tesi è focalizzato sulla valutazione della sensibilità delle microonde rispetto a differenti idrometeore per le frequenze a 89 GHz e 150 GHz e nella banda di assorbimento del vapor d'acqua a 183.31 GHz. Il metodo di indagine consiste nell'utilizzo del modello di trasferimento radiativo RTTOV (Eyre, 1991) per simulare radianze dei canali dei sensori satellitari nelle microonde Advanced Microwave Sounding Unit-B (AMSU-B) e Microwave Humidity Sounder (MHS). Le simulazioni basate sul modello RTTOV si sono focalizzate su tre dataset indipendenti, forniti da ECMWF. Il primo passo tiene conto di una selezione di categorie dei profili atmosferici basato su una distinzione della fase delle idrometeore, LWP, IWP e WVP, con sottoclassi terra e oceano. La distinzione in diverse categorie permette di valutare la sensibilità di ciascuna frequenza utilizzata nelle simulazioni al variare del contenuto di acqua e ghiaccio. Un secondo approccio è usato per valutare la risposta di ciascuna frequenza nei casi di nevicate sulla terraferma. Questa indagine ha permesso lo sviluppo di un nuovo algoritmo prototipale per la stima dell'intensità di precipitazione nevosa basato su una serie di test a soglia e una equazione di combinazione lineare multipla che sfrutta una combinazione dei canali più sensibili alla snowfall: 150, 186 e 190 GHz. Una prima verifica su casi di studio pre-selezionati di snowstorm sembra fornire risultati promettenti. Infine è stato realizzato uno studio di sensibilità dell’algoritmo 183-WSL (Laviola and Levizzani, 2011) utilizzando le simulazioni di RTTOV con precipitazione/non precipitazione come predittori discreti e con le intensità di precipitazione come predittori continui. Le simulazioni RTTOV rivelano una sovrastima delle radianze in presenza di profili di pioggia e ciò potrebbe essere dovuto alle approssimazioni e parametrizzazioni adottate nel modello RTTOV-SCATT usato per la risoluzione dello scattering in presenza di precipitazione.

Squeeze Cap. Progettazione e validazione di un sistema innovativo di apertura e chiusura per un contenitore asettico per liquidi

Sviluppo di un sistema innovativo di apertura posizionato sull'aletta laterale per un contenitore asettico per liquidi, in particolare per latte

Optimal selection of autoregressive model coefficients for early damage detectability with an application to wind turbine blades

Piotr Omenzetter and Simon Hoell's work within the Lloyd's Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Optimal selection of autoregressive model coefficients for early damage detectability with an application to wind turbine blades

Piotr Omenzetter and Simon Hoell's work within the Lloyd's Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Improved damage detectability in a wind turbine blade by optimal selection of vibration signal correlation coefficients

Piotr Omenzetter and Simon Hoell’s work within the Lloyd’s Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Physical Insights, Steady Aerodynamic Effects, and a Design Tool for Low-Pressure Turbine Flutter

The successful, efficient, and safe turbine design requires a thorough understanding of the underlying physical phenomena. This research investigates the physical understanding and parameters highly correlated to flutter, an aeroelastic instability prevalent among low pressure turbine (LPT) blades in both aircraft engines and power turbines. The modern way of determining whether a certain cascade of LPT blades is susceptible to flutter is through time-expensive computational fluid dynamics (CFD) codes. These codes converge to solution satisfying the Eulerian conservation equations subject to the boundary conditions of a nodal domain consisting fluid and solid wall particles. Most detailed CFD codes are accompanied by cryptic turbulence models, meticulous grid constructions, and elegant boundary condition enforcements all with one goal in mind: determine the sign (and therefore stability) of the aerodynamic damping. The main question being asked by the aeroelastician, ``is it positive or negative?'' This type of thought-process eventually gives rise to a black-box effect, leaving physical understanding behind. Therefore, the first part of this research aims to understand and reveal the physics behind LPT flutter in addition to several related topics including acoustic resonance effects. A percentage of this initial numerical investigation is completed using an influence coefficient approach to study the variation the work-per-cycle contributions of neighboring cascade blades to a reference airfoil. The second part of this research introduces new discoveries regarding the relationship between steady aerodynamic loading and negative aerodynamic damping. Using validated CFD codes as computational wind tunnels, a multitude of low-pressure turbine flutter parameters, such as reduced frequency, mode shape, and interblade phase angle, will be scrutinized across various airfoil geometries and steady operating conditions to reach new design guidelines regarding the influence of steady aerodynamic loading and LPT flutter. Many pressing topics influencing LPT flutter including shocks, their nonlinearity, and three-dimensionality are also addressed along the way. The work is concluded by introducing a useful preliminary design tool that can estimate within seconds the entire aerodynamic damping versus nodal diameter curve for a given three-dimensional cascade.

Dynamic effects of anchor positional tolerance on tension moored floating wind turbine

For water depths greater than 60m floating wind turbines will become the most economical option for generating offshore wind energy. Tension mooring stabilised units are one type of platform being considered by the offshore wind energy industry. The complex mooring arrangement used by this type of platform means that the dynamics are greatly effected by offsets in the positioning of the anchors. This paper examines the issue of tendon anchor position tolerances. The dynamic effects of three positional tolerances are analysed in survival state using the time domain FASTLink. The severe impact of worst case anchor positional offsets on platform and turbine survivability is shown. The worst anchor misposition combinations are highlighted and should be strongly avoided. Novel methods to mitigate this issue are presented.

Description of an 8 MW reference wind turbine

An 8 MW wind turbine is described in terms of mass distribution, dimensions, power curve, thrust curve, maximum design load and tower configuration. This turbine has been described as part of the EU FP7 project LEANWIND in order to facilitate research into logistics and naval architecture efficiencies for future offshore wind installations. The design of this 8 MW reference wind turbine has been checked and validated by the design consultancy DNV-GL. This turbine description is intended to bridge the gap between the NREL 5 MW and DTU 10 MW reference turbines and thus contribute to the standardisation of research and development activities in the offshore wind energy industry.