Wind Shear, Gust, and Yaw-Induced Dynamic Stall on Wind-Turbine Blades

This study examined the effect of a spanwise angle of attack gradient on the growth and stability of a dynamic stall vortex in a rotating system. It was found that a spanwise angle of attack gradient induces a corresponding spanwise vorticity gradient, which, in combination with spanwise flow, results in a redistribution of circulation along the blade. Specifically, when modelling the angle of attack gradient experienced by a wind turbine at the 30% span position during a gust event, the spanwise vorticity gradient was aligned such that circulation was transported from areas of high circulation to areas of low circulation, increasing the local dynamic stall vortex growth rate, which corresponds to an increase in the lift coefficient, and a decrease in the local vortex stability at this point. Reversing the relative alignment of the spanwise vorticity gradient and spanwise flow results in circulation transport from areas of low circulation generation to areas of high circulation generation, acting to reduce local circulation and stabilise the vortex. This circulation redistribution behaviour describes a mechanism by which the fluctuating loads on a wind turbine are magnified, which is detrimental to turbine lifetime and performance. Therefore, an understanding of this phenomenon has the potential to facilitate optimised wind turbine design.

Sustainability Enhancement of a Turbine Vane Manufacturing Cell through Digital Simulation based Design

Modern manufacturing systems should satisfy emerging needs related to sustainable development. The design of sustainable manufacturing systems can be valuably supported by simulation, traditionally employed mainly for time and cost reduction. In this paper, a multi-purpose digital simulation approach is proposed to deal with sustainable manufacturing systems design through Discrete Event Simulation (DES) and 3D digital human modelling. DES models integrated with data on power consumption of the manufacturing equipment are utilized to simulate different scenarios with the aim to improve productivity as well as energy efficiency, avoiding resource and energy waste. 3D simulation based on digital human modelling is employed to assess human factors issues related to ergonomics and safety of manufacturing systems. The approach is implemented for the sustainability enhancement of a real manufacturing cell of the aerospace industry, automated by robotic deburring. Alternative scenarios are proposed and simulated, obtaining a significant improvement in terms of energy efficiency (−87%) for the new deburring cell, and a reduction of energy consumption around −69% for the coordinate measuring machine, with high potential annual energy cost savings and increased energy efficiency. Moreover, the simulation-based ergonomic assessment of human operator postures allows 25% improvement of the workcell ergonomic index.

Investigation of the effects of flow conditions at rotor inlet on mixed flow turbine performance for automotive applications

Current trends in the automotive industry have placed increased importance on engine downsizing for passenger vehicles. Engine downsizing often results in reduced power output and turbochargers have been relied upon to restore the power output and maintain drivability. As improved power output is required across a wide range of engine operating conditions, it is necessary for the turbocharger to operate effectively at both design and off-design conditions. One off-design condition of considerable importance for turbocharger turbines is low velocity ratio operation, which refers to the combination of high exhaust gas velocity and low turbine rotational speed. Conventional radial flow turbines are constrained to achieve peak efficiency at the relatively high velocity ratio of 0.7, due the requirement to maintain a zero inlet blade angle for structural reasons. Several methods exist to potentially shift turbine peak efficiency to lower velocity ratios. One method is to utilize a mixed flow turbine as an alternative to a radial flow turbine. In addition to radial and circumferential components, the flow entering a mixed flow turbine also has an axial component. This allows the flow to experience a non-zero inlet blade angle, potentially shifting peak efficiency to a lower velocity ratio when compared to an equivalent radial flow turbine.
This study examined the effects of varying the flow conditions at the inlet to a mixed flow turbine and evaluated the subsequent impact on performance. The primary parameters examined were average inlet flow angle, the spanwise distribution of flow angle across the inlet and inlet flow cone angle. The results have indicated that the inlet flow angle significantly influenced the degree of reaction across the rotor and the turbine efficiency. The rotor studied was a custom in-house design based on a state-of-the-art radial flow turbine design. A numerical approach was used as the basis for this investigation and the numerical model has been validated against experimental data obtained from the cold flow turbine test rig at Queen’s University Belfast. The results of the study have provided a useful insight into how the flow conditions at rotor inlet influence the performance of a mixed flow turbine.

Realizzazione di un dispositivo elettromeccanico per la simulazione e per la ricerca di una soluzione stabile del sistema dinamico del pendolo inverso

Obiettivo della tesi è la realizzazione di un dispositivo in grado di riprodurre il sistema del pendolo inverso e di trovare soluzioni vicine alla posizione di equilibrio stabile. Verranno ricavate le equazioni del moto che descrivono il sistema attraverso la meccanica Lagrangiana. Una volta integrate numericamente le equazioni, si procederà con la ricerca di una funzione di controllo per mantenere in equilibrio il sistema: l'efficacia della soluzione verrà valutata graficamente, senza approfondire l'approccio proveniente dalla teoria del controllo che ne è alla base. Infine il sistema verrà realizzato praticamente ed utilizzeremo le stesse funzioni studiate in precedenza.

Studio e validazione sperimentale di un nuovo sistema per ultrafiltrazione in emodialisi

La dialisi, le cui basi sono state fondate a metà ottocento dal chimico Thomas Graham, è la terapia, alternativa al trapianto, utilizzata su pazienti affetti da insufficienza renale. Ad oggi tale terapia ha un numero sempre maggiore di utilizzatori, più di 2,5 milioni di persone al mondo, ragione per cui ha un impatto sempre più grande sul sistema sanitario. La terapia, ha come scopo principale quello ripristinare gli equilibri idro-elettrolitico e acido-base del sangue del paziente utilizzando principi quali ultrafiltrazione, convezione e diffusione. Per raggiungere questo obiettivo, il sangue del paziente viene fatto scorrere controcorrente al liquido di dialisi, di composizione nota, ai capi di una membrana semipermeabile. Nel caso dell’emodialisi tutto il processo si svolge in circolazione extracorporea. La dialisi viene eseguita quando i reni del paziente non riescono più a espletare la loro funzione, con conseguente accumulo di tossine e di liquidi, che nel giro di pochi giorni porterebbe alla morte se non si interviene. Data la sua funzione, una parte importante della macchina che esegue l’emodialisi, è il sistema di controllo dell’ultrafiltrazione, che permette di rimuovere in maniera controllata i liquidi che il paziente non riesce a smaltire in maniera autonoma. La rimozione di liquidi avviene mediante la creazione di un gradiente pressorio tra il lato sangue e il lato dializzato, che causa il passaggio di liquidi da una parte all’altra della membrana semipermeabile. Esistono vari metodi che permettono di realizzare questo processo, che si differenziano per la strategia utilizzata per creare i gradienti pressori; ognuno dei quali permette di ottenere una determinata accuratezza. Scopo del mio lavoro di tesi è stato quello di studiare e validare un nuovo sistema di realizzazione e controllo dell’ultrafiltrazione.

Elaborazione di un modello di simulazione per una rete di trasporto multi-modale

Questo lavoro di tesi si prefigge l’obiettivo di simulare il trasporto di organi destinati a trapianto sul territorio nazionale italiano. Lo scopo della simulazione è mettere in luce le criticità e le eventuali soluzioni alternative in modo da raggiungere un duplice obiettivo: la certezza di portare a compimento il trasporto da un ospedale ad un altro entro i tempi clinici necessari affinché l’organo sia ancora utilizzabile e la riduzione dei costi del trasporto, che negli ultimi anni si sono rivelati elevati a causa del ricorso frequente a voli di Stato. Nella prima parte del lavoro viene delineato il problema e le necessità di ottimizzazione della rete, dopodiché si illustra il modello creato per simulare la situazione di as-is ed infine si espone il modello da utilizzare in futuro, dove si prevedono i tempi futuri di percorrenza. Per la modellazione della situazione attuale sono stati utilizzati due livelli di dettaglio diversi, uno che si basa sulla suddivisione dei trapianti in ingresso e uscita da una regione specifica e uno che approfondisce ulteriormente la rete modellando gli spostamenti di città in città. I modelli predittivi presentati sono due, uno che considera tempi predittivi deterministici e uno che considera tempi stocastici. Dopo ciascuna modellazione vengono esposti i risultati e le statistiche più significative; vengono infine messi in evidenza gli aspetti critici e gli sviluppi futuri della simulazione. Il software scelto per creare e simulare il trasporto degli organi sulla rete è Arena.

Simulazione Monte Carlo applicata all'analisi di scenari di intrusione salina in acquiferi costieri

Il presente elaborato analizza il problema dell'intrusione salina e valuta l'influenza dei parametri idrologici e idrogeologici sulle dinamiche del processo mediate simulazioni Monte Carlo. A scopo esemplificativo, l’intrusione salina viene studiata in condizioni stazionarie e nell’ipotesi di interfaccia netta. La tecnica di simulazione viene descritta a partire dai concetti statistici di base che includono la definizione delle distribuzioni di probabilità scelte per descrviere il comportamento dei parametri del modello concettuale e la procedura di campionamento di tali distribuzioni. Un codice in Matlab è stato realizzato per l’applicazione ad un semplice caso studio.

Simulazione di finger tapping attraverso un modello neurale

Il seguente elaborato ha lo scopo di analizzare, attraverso modelli neuro-computazionali, le possibili alterazioni delle risposte in pazienti con malattia di Parkinson, sia indotte da alterazioni del livello di dopamina, sia indotte da modificazioni sinaptiche. Il punto chiave per comprendere i sintomi di PD e il loro deterioramento temporale si deve cercare nel rapporto tra l'attività dei neuroni in BG (in particolare nello striato) e i livelli di dopamina (o levodopa) nel cervello. Di conseguenza, l'obiettivo di questo elaborato è quello di quantificare la connessione tra i livelli di levodopa e performance del finger tapping per mezzo di modelli biologici e simulazioni al computer.

Investigation expérimentale du décollement dans l’aspirateur d’une turbine bulbe

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence.

Tests of the fatigue strength of steam turbine blade shapes : a report

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Étude expérimentale de l'écoulement en entrée d'aspirateur d'une turbine bulbe

Ce mémoire présente l’étude expérimentale de l’écoulement d’entrée d’un aspirateur d’une turbine bulbe présentant une chute abrupte de performance. Des mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) ont été réalisées sur deux axes soit en aval des pales de la roue et en aval du moyeu de la roue. Une particularité de cette étude est la conception d’un montage permettant de mesurer la vitesse axiale proche de la paroi du cône. De plus, une méthode d’estimation de la vitesse radiale moyenne a été développée. Ces mesures ont permis de caractériser l’écoulement primaire et les écoulements secondaires et d’analyser leur évolution entre les deux axes. De plus, l’évolution de ces écoulements est analysée en fonction de la chute de performance de la turbine. Les principales particularités de l’écoulement sont la présence d’une recirculation sous le moyeu, d’une zone contrarotative, des sillages des directrices et des tourbillons de bout de pale.