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

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

Sistemi di stoccaggio non tradizionali: modellazione analitica ed analisi prestazionale multi-scenario

Il seguente elaborato di tesi prevede la simulazione del comportamento di quattro diversi layout di magazzino contenenti lo stesso numero di vani, ipotizzando uno stoccaggio della merce secondo il criterio delle classi. Inoltre è stata analizzata l’influenza della variabile altezza sul tempo di ciclo dei singoli magazzini. I quattro layout analizzati sono stati: il layout tradizionale, il layout diagonal cross aisle, il layout fishbone e il layout leaf. Il primo è un magazzino “convenzionale”, nel quale l’intersezione dei corridoi genera sempre angoli retti, i restanti tre sono magazzini “non convenzionali”, ovvero l’intersezione dei corridoi genera angoli particolari. Per ciascun magazzino è stato realizzato un modello matematico discreto in grado di determinare la posizione di ogni singolo vano, la sua distanza dal punto I/O e la sua altezza da terra. Il modello matematico e la tipologia di gestione del magazzino sono stati successivamente implementati in un programma scritto su Microsoft Excel, mediante il linguaggio integrato VBA (Visual Basic for Application). Questo ha permesso di determinare i tempi di ciclo medi per ciascun magazzino, facendo il rapporto tra le distanze precedentemente calcolate e le velocità di traslazione e sollevamento del carrello elevatore. Per ottenere dalla simulazioni dei valori il più possibile prossimi alla realtà è stata adottata la metodologia di Simulazione Monte Carlo e un numero di estrazioni pari a 1000. Dai risultati ottenuti è emerso che il magazzino fishbone è in grado di garantire i miglior tempo di ciclo e che i tempi di ciclo più bassi si ottengono, a parità di vani presenti in un magazzino, aumentando le dimensioni in pianta piuttosto che aumentando l’altezza del magazzino.

Modelizzazione spazio-temporale delle dinamiche di uso del suolo ed analisi comparativa di differenti approcci predittivi. Uso integrato di SIG e telerilevamento nello studio dei processi di deforestazione nella regione La Joyanca in Peten, Guatemala

L’uso frequente dei modelli predittivi per l’analisi di sistemi complessi, naturali o artificiali, sta cambiando il tradizionale approccio alle problematiche ambientali e di rischio. Il continuo miglioramento delle capacità di elaborazione dei computer facilita l’utilizzo e la risoluzione di metodi numerici basati su una discretizzazione spazio-temporale che permette una modellizzazione predittiva di sistemi reali complessi, riproducendo l’evoluzione dei loro patterns spaziali ed calcolando il grado di precisione della simulazione. In questa tesi presentiamo una applicazione di differenti metodi predittivi (Geomatico, Reti Neurali, Land Cover Modeler e Dinamica EGO) in un’area test del Petén, Guatemala. Durante gli ultimi decenni questa regione, inclusa nella Riserva di Biosfera Maya, ha conosciuto una rapida crescita demografica ed un’incontrollata pressione sulle sue risorse naturali. L’area test puó essere suddivisa in sotto-regioni caratterizzate da differenti dinamiche di uso del suolo. Comprendere e quantificare queste differenze permette una migliore approssimazione del sistema reale; é inoltre necessario integrare tutti i parametri fisici e socio-economici, per una rappresentazione più completa della complessità dell’impatto antropico. Data l’assenza di informazioni dettagliate sull’area di studio, quasi tutti i dati sono stati ricavati dall’elaborazione di 11 immagini ETM+, TM e SPOT; abbiamo poi realizzato un’analisi multitemporale dei cambi uso del suolo passati e costruito l’input per alimentare i modelli predittivi. I dati del 1998 e 2000 sono stati usati per la fase di calibrazione per simulare i cambiamenti nella copertura terrestre del 2003, scelta come data di riferimento per la validazione dei risultati. Quest’ultima permette di evidenziare le qualità ed i limiti per ogni modello nelle differenti sub-regioni.

Analisi dinamica del ciclo integrato dell'acciaio: un approccio basato sulla simulazione

Nella presente tesi viene analizzato in modo approfondito il ciclo integrato dell'acciaio che è uno dei metodi più consolidati e affermati per la produzione sia di semilavorati, sia di prodotti finiti di acciaio. L'approccio all'analisi del ciclo integrato dell'acciaio è di tipo dinamico e basato sulla simulazione, vale a dire che si cerca di capire come e in che modo i vari fattori del ciclo integrato interagiscono e si influenzano fra di loro per cercare in seguto di esplicitare tali dinamiche in un unico modello di simulazione. Sino ad ora infatti nella letteratura si possono trovare modelli che analizzano separatamente solo alcuni aspetti del ciclo integrato dell'acciaio. L'intenzione ultima di questa tesi è quella di fornire uno strumento in più che possa far capire, date determinate caratteristiche e obiettivi dell'azienda, quale sia la direzione più plausibile e giustificabile da seguire.

Analisi e simulazione FEM del processo di infusione sottovuoto "VARI" di una passerella nautica

Tesi svolta presso l'azienda “Riba composites S.r.l.” con lo scopo di riprogettare una passerella nautica utilizzata in imbarcazioni a vela da competizione, attualmente realizzata mediante formatura in autoclave di tessuti pre-impregnati, per il processo produttivo di Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). La formatura in autoclave di tessuti pre-­impregnati è una delle tecnologie più onerose, tra i vari processi produttivi nel settore dei materiali compositi, ma assicura proprietà meccaniche e livelli estetici superlativi. L’obiettivo della Riba Composites è ridurre i costi di produzione per offrire un prodotto dalle proprietà analoghe a un prezzo più competitivo. Nella fase di riprogettazione ci siamo affidati a un software di calcolo agli elementi finiti che simula il processo del VARI, l’applicativo PAM-­RTM, del gruppo ESI. Al fine di ottenere una simulazione quanto più precisa possibile del processo, abbiamo realizzato molteplici prove sperimentali per ricavare i valori di compressibilità e permeabilità dei rinforzi da inserire nel software FEM.

Analisi della stabilità dei risultati dei test di risposta termica: prove in campo, confronto e analisi critica per diversi metodi di esecuzione e modellizzazione

Il Test di Risposta Termica (Thermal Response Test-TRT) (Mogenson,1983) è il test esistente con il più alto grado di accuratezza per la caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale. Il test consiste in una simulazione in situ del funzionamento di un sistema a circuito chiuso di sfruttamento dell’energia geotermica, per un periodo limitato di tempo, attraverso l’iniezione o estrazione di calore a potenza costante all’interno del geo-scambiatore (Borehole Heat Exchanger-BHE). Dall’analisi della variazione delle temperature del fluido circolante, è possibile avere una stima delle proprietà termiche medie del volume del reservoir geotermico interessato dal test. Le grandezze principali per la caratterizzazione di un serbatoio geotermico sono la conduttività termica (λ), la capacità termica volumetrica (c), la temperatura indisturbata del suolo (Tg) e la resistenza termica del pozzo (Rb); la loro determinazione è necessaria per il corretto progettazione degli geo-scambiatori. I risultati del TRT sono tuttavia sensibili alle condizioni al contorno spazio-temporali quali ad es.: variazione della temperatura del terreno, movimento d’acqua di falda, condizioni metereologiche, eventi stagionali, ecc. Questo lavoro vuole: i) introdurre uno studio sui problemi di caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale, in particolare analizzando l’effetto che il movimento d’acqua di falda ha sui parametri termici; ii) analizzare la sensitività dei risultati del test alle variabilità dei parametri caratteristici del funzionamento delle attrezzature. Parte del lavoro della mia tesi è stata svolta in azienda per un periodo di 4 mesi presso la “Groenholland Geo Energy systems” che ha sede ad Amsterdam in Olanda. Tre diversi esperimenti sono stati realizzati sullo stesso sito (stratigrafia nota del terreno: argilla, sabbia fine e sabbia grossa) usando una sonda profonda 30 metri e diversi pozzi per l’estrazione d’acqua e per monitorare gli effetti in prossimità del geo scambiatore. I risultati degli esperimenti sono stati molto diversi tra di loro, non solo in termini di dati registrati (temperature del fluido termovettore), ma in termini dei valori dei parametri ottenuti elaborando i dati. In particolare non è sufficiente adottare il modello classico della sorgente lineare infinita (Infinite Line Source Solution- ILS) (Ingersoll and Plass, 1948), il quale descrive il trasferimento di calore per conduzione in un mezzo omogeneo indefinito a temperatura costante. Infatti, lo scambio di calore avviene anche tramite convezione causata dal movimento d’acqua di falda, non identificabile mediante gli approcci classici tipo CUSUM test (Cumulative Sum test) (Brown e altri,1975) Lo studio della tesi vuole dare un quadro di riferimento per correlare la variabilità dei risultati con la variabilità delle condizioni al contorno. L’analisi integra le metodologie classiche (ILS) con un approccio geostatistico utile a comprendere i fenomeni e fluttuazioni che caratterizzano il test. Lo studio delle principali variabili e parametri del test, quali temperatura in ingresso e uscita del fluido termovettore, portata del fluido e potenza iniettata o estratta, è stato sviluppato mediante: il variogramma temporale, ovvero la semivarianza dell’accrescimento, che esprime il tipo di autocorrelazione temporale della variabile in esame; la covarianza incrociata temporale, ovvero la covarianza fra due variabili del sistema, che ne definisce quantitativamente il grado di correlazione in funzionamento del loro sfasamento temporale. L’approccio geostatistico proposto considera la temperatura del fluido Tf come una funzione aleatoria (FA) non stazionaria nel tempo (Chiles, 1999), il cui trend è formalmente definito, ma deve essere identificato numericamente. Si considera quindi un classico modello a residuo; in cui la FA è modellizzata come la somma di un termine deterministico, la media (il valore atteso) m(t),coincidente col modello descritto dalla teoria della sorgente lineare infinità, e di un termine aleatorio, la fluttuazione, Y(t). Le variabili portata e potenza sono invece considerate delle funzioni aleatorie stazionarie nel tempo, ovvero a media costante. Da questo studio di Tesi si sono raggiunte delle conclusioni molto importanti per lo studio del TRT: Confronto tra gli esperimenti in estrazione di calore, con e senza movimento d’acqua di falda: si studia l’effetto indotto dalla falda sul TRT. E’ possibile caratterizzare quantitativamente l’incremento della conducibilità termica equivalente legata a fenomeni convettivi dovuti al movimento d’acqua di falda. Inoltre, i variogrammi sperimentali evidenziano periodicità simili nei due casi e legate al funzionamento della pompa di calore e della componentistica associata ed alla circolazione del fluido termovettore all’interno della sonda. Tuttavia, la componente advettiva ha un effetto di smorzamento sulle piccole periodicità dei variogrammi, ma di aumento dell’ampiezza delle periodicità maggiori a causa del funzionamento della pompa di calore che deve fornire maggiore energia al sistema per bilanciare le dispersioni dovute al movimento d’acqua di falda. Confronto fra estrazione ed iniezione di calore, con movimento d’acqua di falda: si studia la significatività dei risultati nei due casi. L’analisi delle variografie evidenzia significative differenze nella struttura dei variogrammi sperimentali. In particolare, nel test con iniezione di calore i variogrammi sperimentali delle temperature hanno valori sistematicamente inferiori, circostanza che assicura una migliore precisione nella stima dei parametri termici. Quindi eseguire il TRT in iniezione di calore risulta più preciso. Dall’analisi dei variogrammi sperimentali delle singole variabili quali temperatura del fluido in ingresso e uscita all’interno del geoscambiatore è stato confermato il fenomeno di smorzamento delle oscillazioni da parte del terreno. Dall’analisi delle singole variabili del test (temperature, potenza, portata) è stata confermata l’indipendenza temporale fra portate e temperature. Ciò è evidenziato dalle diverse strutture dei variogrammi diretti e dalle covarianze incrociate prossime a zero. Mediante correlogrami è stato dimostrato la possibilità di calcolare il tempo impiegato dal fluido termovettore per circolare all’interno della sonda. L’analisi geostatistica ha permesso quindi di studiare in dettaglio la sensitività dei risultati del TRT alle diverse condizioni al contorno, quelle legate al reservoir e quelle legate al funzionamento delle attrezzature

Analisi sperimentale dell'influenza dei parametri di processo sulla resistenza di contatto tra polimero e stampo durante la formatura

Con gli strumenti informatici disponibili oggi per le industrie, in particolar modo coi software CAE, le possibile simulare in maniera più che soddisfacente i fenomeni fisici presenti in natura. Anche il raffreddamento di un manufatto in polimero può venire simulato, a patto che si conoscano tutti i dati dei materiali e delle condizioni al contorno. Per quanto riguarda i dati dei materiali, i produttori di polimeri sono molto spesso in grado di fornirli, mentre le condizioni al contorno devono essere padroneggiate dal detentore della tecnologia. Nella pratica, tale conoscenza è al più incompleta, quindi si fanno ipotesi per colmare le lacune. Una tra le ipotesi più forti fatte è quella di una perfetta conduzione all'interfaccia tra due corpi. Questo è un vincolo troppo forte, se paragonato alla precisione di tutti gli altri dati necessari alla simulazione, e quindi si è deciso di eseguire una campagna sperimentale per stimare la resistenza al passaggio flusso termico all'interfaccia polimero-stampo ovvero determinare la conduttanza termica di contatto. L'attività svolta in questa tesi di dottorato ha come scopo quello di fornire un contributo significativo allo sviluppo e al miglioramento dell'efficienza termica degli stampi di formatura dei polimeri termoplastici con tecnologia a compressione.

Analisi combinatoria dei parchi d'attrazioni

Da oltre mezzo secolo i parchi di divertimento sono strutture complesse e altamente organizzate, entro cui si muovono migliaia di persone quotidianamente; in cui l'elettrificazione, la manutenzione, la sicurezza (sia come safety sia come security) non possono essere lasciate all'improvvisazione. Fra i diversi modelli matematici con cui è possibile rappresentare un parco di divertimenti i grafi si adattano bene a rappresentare l'organizzazione "geografica" delle attrazioni e dei sentieri che le collegano. Fortunatamente la teoria dei grafi si presta anche molto bene all'impostazione e risoluzione dei problemi di ottimizzazione, fornendo quindi uno strumento privilegiato per miglioramenti strutturali nella direzione sia del risparmio economico, sia della fruizione ottimale delle strutture. In questa tesi ho analizzato un aspetto particolare dei grafi associati a quattro parchi d'attrazione: le distanze reciproche tra attrazioni e in particolare la collocazione dei "centri", cioè di vertici del grafo per cui la massima distanza da altri vertici sia minima. I calcoli sono stati eseguiti adattando un'implementazione esistente in Matlab dell'algoritmo di Dijkstra, utilizzando in ingresso le matrici di adiacenza dei grafi. Dopo un capitolo dedicato ai richiami essenziali di teoria dei grafi, il capitolo due traccia una breve storia dei parchi d'attrazione concentrandosi sui quattro che sono l'oggetto di questo studio. Il terzo capitolo, fulcro teorico della tesi, descrive la sperimentazione riportata nel capitolo quattro.

Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Analisi di industrializzazione e incremento prestazionale di un magazzino utensili automatico per macchine per lavorazioni del legno

La presenza di un magazzino utensili automatico è, al giorno d’oggi, un “must” per qualsiasi centro di lavoro a controllo numerico, in qualunque settore di applicazione, compreso il mondo delle macchine per la lavorazione del legno. Tali dispositivi influenzano in modo importante la produttività e la flessibilità delle macchine su cui vengono installati. In un mercato altamente competitivo e costantemente alla ricerca dell’eccellenza prestazionale, risulta fondamentale offrire soluzioni sempre aggiornate e innovative, senza perdere di vista il target di costo prefissato. Obiettivo di questa tesi è analizzare in ogni suo aspetto un processo di sviluppo di un magazzino utensili automatico a catena di nuova concezione di produzione del Gruppo SCM, destinato a centri di lavoro CNC per la lavorazione del legno. Tale sviluppo è finalizzato a ottenere un prodotto che vada ad ampliare l’offerta e ad incrementare le prestazioni rispetto alle soluzioni attualmente in listino. L’intera trattazione è frutto della collaborazione con l’ufficio tecnico SCM con sede a Rimini. Inizialmente sono descritte la tipologia e la gamma delle macchine su cui viene installato il magazzino, oggetto di questa tesi. Segue una descrizione dell’analisi concettuale da cui nascono i parametri e i principi guida dell’intero sviluppo. Nel terzo capitolo è presentata l’attuale soluzione proposta da SCM, in termini di struttura e di prestazioni, e nel quarto è esposta l’analisi funzionale dei costi dell’attuale soluzione e il raggiungimento del costo obiettivo della soluzione ridotta. Nel quinto capitolo è presentata la caratterizzazione dello stato dell’arte della pinza d’afferraggio utensili e il processo di sviluppo d’incremento prestazionale.

Analisi del rischio per le linee di trasferimento fluidi di una raffineria

La movimentazione delle materie prime, degli intermedi e dei prodotti finali all’interno di una raffineria avviene attraverso una struttura logistica che prevede la ricezione delle materie prime, i trasferimenti delle sostanze tra le diverse unità produttive, la spedizione dei prodotti finiti. La distribuzione dei fluidi avviene su vie di tubazioni (pipe rack e trincee) che si possono articolare su un’ampia porzione di territorio, in prossimità di impianti, strade ed altri centri nevralgici. La perdita di contenimento accidentale dalle tubazioni può costituire un elemento di rischio di difficile gestione, proprio per la diffusione dei percorsi su un’area di vaste dimensioni. Il presente lavoro di tesi, svolto presso lo studio ICARO s.r.l. di Cortona, si propone di effettuare l’analisi del rischio dovuto al trasferimento dei fluidi all’interno di una raffineria, valutando la frequenza e la distribuzione spaziale degli effetti degli scenari incidentali finali che possono avere luogo in caso di rilascio. Le tubazioni prese in esame sono quelle di maggior impatto dal punto di vista del rischio a causa della pericolosità della sostanza trasferita e della vicinanza del percorso a punti nevralgici all’interno dello stabilimento; sulla base di questo criterio sono state analizzate le tubazioni per il trasferimento di GPL, H2S e benzina. I risultati ottenuti consentono di identificare soluzioni per l’ottimizzazione del layout della raffineria e costituiscono, più in generale, uno strumento analitico di supporto alle modifiche progettuali. L’elaborato è strutturato come segue. Nel Capitolo 1 è riportata la descrizione della raffineria e delle linee di interconnessione selezionate ai fini dello studio. Nel Capitolo 2 vengono identificate le tipologie più rappresentative di perdita di contenimento dalle linee e ne viene stimata la frequenza di accadimento. Nel Capitolo 3 viene illustrata una metodologia per la stima della probabilità di innesco che tiene in considerazione la circolazione di automezzi nelle strade interne della raffineria. Nel Capitolo 4 vengono esaminati, confrontati e selezionati i vari tipi di modelli di rilascio presenti nel package di simulazione Phast Professional 7.1 in vista della loro applicazione alle perdite dalle linee. Nel Capitolo 5 è riportato il calcolo delle frequenze di accadimento degli scenari incidentali finali, mentre nel Capitolo 6 sono illustrati i risultati relativi alla valutazione delle conseguenze. Nel Capitolo 7 viene effettuato lo studio dell’effetto domino, sviluppato in accordo ad un approccio metodologico innovativo. Infine nel Capitolo 8 vengono riportate alcune considerazioni finali.

Analisi Convessa in Spazi Vettoriali Topologici e Ottimizzazione

Questa tesi presenta alcuni aspetti dell'analisi convessa, in spazi vettoriali topologici, indirizzati allo studio di problemi generali di minimizzazione. Dai risultati geometrici dei teoremi di Hahn-Banach, attraverso la descrizione di proprietà fondamentali delle funzioni convesse e del sottodifferenziale, viene descritta la dualità di Fenchel-Moreau, e poi applicata a problemi generali di Ottimizzazione convessa, sotto forma prima di problema primale-duale, e poi come rapporto tra i punti di sella della Lagrangiana e le soluzioni della funzione da minimizzare.