Investigation of novel methodologies for the MCNP geometry preparation: application on the Upper Launcher BSM of ITER

La tesi si divide in due macroargomenti relativi alla preparazione della geometria per modelli MCNP. Il primo �� quello degli errori geometrici che vengono generati quando avviene una conversione da formato CAD a CSG e le loro relazioni con il fenomeno delle lost particles. Il passaggio a CSG tramite software �� infatti inevitabile per la costruzione di modelli complessi come quelli che vengono usati per rappresentare i componenti di ITER e pu�� generare zone della geometria che non vengono definite in modo corretto. Tali aree causano la perdita di particelle durante la simulazione Monte Carlo, andando ad intaccare l' integrit�� statistica della soluzione del trasporto. Per questo motivo �� molto importante ridurre questo tipo di errori il pi�� possibile, ed in quest'ottica il lavoro svolto �� stato quello di trovare metodi standardizzati per identificare tali errori ed infine stimarne le dimensioni. Se la prima parte della tesi �� incentrata sui problemi derivanti dalla modellazione CSG, la seconda invece suggerisce un alternativa ad essa, che �� l'uso di Mesh non Strutturate (UM), un approccio che sta alla base di CFD e FEM, ma che risulta innovativo nell'ambito di codici Monte Carlo. In particolare le UM sono state applicate ad una porzione dell' Upper Launcher (un componente di ITER) in modo da validare tale metodologia su modelli nucleari di alta complessit��. L'approccio CSG tradizionale e quello con UM sono state confrontati in termini di risorse computazionali richieste, velocit��, precisione e accuratezza sia a livello di risultati globali che locali. Da ci�� emerge che, nonostante esistano ancora alcuni limiti all'applicazione per le UM dovuti in parte anche alla sua novit��, vari vantaggi possono essere attribuiti a questo tipo di approccio, tra cui un workflow pi�� lineare, maggiore accuratezza nei risultati locali, e soprattutto la possibilit�� futura di usare la stessa mesh per diversi tipi di analisi (come quelle termiche o strutturali).

Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono propriet�� funzionali e di resistenza sempre pi�� performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali per�� sono caratterizzati da criticit�� relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all���inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonch�� alla difficolt�� nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio �� stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicit��, umidit�� e densit�� per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui propriet�� sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicit��, umidit�� e densit��, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito �� stato direzionato all���ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, �� stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonch�� le propriet�� termiche e meccaniche gi�� valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi, con riferimento alle normative vigenti, ed alla situazione esistente in termini di progettazione e realizzazione.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo �� analizzare profili di velocit��, temperatura, densit��, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilit�� di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilit�� di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si �� descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocit�� corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre pi�� restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all���industria automobilistica per cercare di contenere l���impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E��� evidente quindi l���importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione cos�� come avere a disposizione modelli quanto pi�� accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell���efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le pi�� affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l���utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studier��, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE��, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO��). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni pi�� elevate, impatti sull���entit�� di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L���analisi ed il confronto con gli altri casi sancir�� se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.

Modellazione numerica del sistema di distribuzione idrica di Cesena

Nel presente elaborato di tesi si esporranno le fasi di costruzione ed i risultati del modello idraulico del sistema di distribuzione idrica della citt�� di Cesena, comprendente tutta l���area cittadina e la zona di pianura a nord-ovest adiacente. Il caso di studio �� stato reso disponibile dal gestore del Servizio idrico integrato nel territorio Hera S.p.A. Il modello numerico �� stato implementato utilizzando il programma Infoworks�� WS di HR Wallingford per la progettazione e gestione delle reti idriche. La realizzazione di un modello idraulico richiede la conoscenza topologica della rete e del suo funzionamento, nonch�� informazioni sul consumo idrico, fondamentali per la determinazione della domanda idrica. Essa comprende il consumo idropotabile delle utenze e la perdita idrica. Per le elaborazioni sono stati utilizzati i programmi open source QGis e RStudio. La variabilit�� del consumo �� stata rappresentata attraverso una curva costruita sulla base del bilancio idrico della rete, mentre quella della perdita attraverso un pattern basato sul metodo del Minimum Night Flow. Compiuta la prima simulazione su un periodo di 7 giorni e ottenuti i primi risultati, si sono rese necessarie delle operazioni di calibrazione eseguite confrontando i dati risultanti dal modello con quelli misurati sul campo. Uno dei vantaggi di un modello numerico �� quello di poter indagare le grandezze idrauliche in ogni punto della rete. �� stato, infatti, possibile creare vere e proprie mappe tematiche che illustrano la variazione delle grandezze di interesse al variare dello spazio e del tempo. Un altro vantaggio �� quello di poter prevedere il comportamento della rete in seguito a delle modifiche. Si �� potuto, infatti, applicare lo strumento modellistico ad un���ipotesi di distrettualizzazione del sistema.

Analisi dinamica e verifica di un prototipo di macchina automatica per la realizzazione di batterie

Lo scopo di questa tesi �� quello di verificare il corretto dimensionamento dei cuscinetti e delle guide lineari di un gruppo all���interno di una macchina automatica brevettata e realizzata da Manz Srl, azienda in collaborazione con la quale �� stato svolto il progetto. La macchina automatica in esame �� parte di una linea di produzione di batterie rettangolari a partire da nastri di materia prima e impiega l���innovativo processo di wound stacking. Per eseguire la verifica dei componenti �� stato necessario effettuare una simulazione dinamica con il software MSC Adams, grazie al quale si sono potute calcolare le reazioni vincolari. In parallelo al modello Adams, �� stato realizzato anche un modello MATLAB, con cui poter confrontare i risultati del software multibody per validarli. Stabiliti i periodi previsti di manutenzione della linea e un coefficiente di sicurezza richiesto, si sono individuati i componenti che non rispettavano le specifiche dei progettisti. Alla fine della tesi si propongono anche delle soluzioni per la sostituzione di alcuni componenti.

Caratterizzazione mediante flussaggio stazionario CFD di condotti di motori a combustione interna 'SACI'

In questo lavoro di tesi si �� voluta creare una metodologia solida per la generazione di geome-trie banchi di flussaggio stazionario, sia per Tumble che per Swirl, a varie alzate valvole (in questo caso solo aspirazione, ma estendibile anche a quelle di scarico), avvalendosi del soft-ware SALOME; seguite da creazione griglia di calcolo e infine simulazione in ambiente Open-FOAM. Per prima cosa si �� importata la geometria creata in un CAD esterno e importata in SALOME in formato STEP. A seguito si sono posizionate le valvole all���alzata da simulare, insieme alla creazione del falso cilindro, diversificato tra il caso Tumble e Swirl. Si �� importato il file del banco di flussaggio, in formato STL, in snappyHexMesh e generata la griglia; questa �� stata utilizzata per la simulazione in ambiente OpenFOAM, utilizzando l���utility rhoPorousSimpleFoam. Infine, si sono estratti i dati per il calcolo di grandezze utili, coppia di Tumble/Swirl e portata in massa, oltre alla creazione di immagini di visualizzazione campi di moto, utilizzando il post processore ParaView. In parallelo si �� sviluppata l���automatizzazione delle varie fasi servendosi sia di script scritti in python che in bash.

L'indice di resilienza per la valutazione delle prestazioni di una rete di distribuzione idrica

Nel seguente lavoro di tesi, l���analisi dell���efficienza idraulica �� stata condotta sulla base dei tradizionali parametri di simulazione di una rete idrica, come carichi idraulici ai nodi e portate erogate, ma sfruttando l���ausilio di un indice di performance di rete sintetico e globale, ovvero l���Indice di resilienza, introdotto da Todini (2000; 2016). Infatti, tale indice, rientrando tra i parametri con cui valutare lo stato complessivo di ���benessere idraulico��� di una rete, ha il vantaggio di poter fungere da criterio di selezione di eventuali interventi migliorativi da operare sulla rete stessa. L���analisi si �� concentrata sull���utilizzo dell���Indice di resilienza come strumento per la misura delle prestazioni di una rete di distribuzione idrica semplificata, utilizzata come caso studio: per far ci��, si sono messi a confronto i risultati relativi a diversi scenari, ottenuti simulando la rottura in successione delle tubazioni della rete, oppure ipotizzando incrementi di richiesta idrica ai nodi. In generale, i risultati delle simulazioni idrauliche, effettuate con l���ausilio combinato dei software di calcolo EPANET 2.2 e Matlab, hanno mostrato che la resilienza pu�� essere utilizzata per quantificare la robustezza di una rete idrica, presentando forti correlazioni con le pressioni ai nodi. Durante il corso di queste analisi, si �� anche voluto mostrare lo sviluppo analitico subito nel tempo dalla formula dell���Indice di resilienza, della quale in principio era stata proposta una formulazione pensata per l���approccio Demand Driven, poi estesa all���approccio di modellazione Pressure Driven. L���intento finale dell���elaborato �� stato quello di capire tramite quali mezzi poter migliorare la resilienza del sistema in esame: �� emerso che la soluzione ottimale �� quella di sfruttare gli effetti benefici derivanti dall���azione combinata della sostituzione dei diametri e del risparmio idrico derivante dalla riduzione delle perdite idriche e degli sprechi nei consumi idropotabili.

Modellazione del trattamento a fanghi attivi del depuratore Ponte Metauro di Fano ed indicazioni gestionali per la riduzione dei consumi di energia.

Lo scopo del presente studio �� quello di modellare il processo di trattamento delle acque reflue dell���impianto a fanghi attivi Ponte Metauro di Fano. In particolare, si �� posta l���attenzione sulle fasi di trattamento secondario, agendo sui parametri che regolano tali processi e simulando il funzionamento ottimale dell���impianto attraverso il programma di modellazione STOAT. Oltre a modellare l���impianto, �� stato anche fatto uno studio per cercare di risparmiare i consumi di energia e reagenti. La prima fase quindi �� stata incentrata sulla modellazione dell���impianto, soprattutto per i trattamenti secondari, con varie simulazioni per poi arrivare ad avere una rappresentazione corretta del fenomeno che avviene nella realt��. La seconda fase invece �� stata incentrata sulla ricerca di un possibile risparmio energetico per ottimizzare i consumi di energia e reagenti all���interno delle vasche.

Analysis of the Mediterranean tropical-like cyclone Numa from a numerical model simulation

I Medicane sono rari cicloni che si sviluppano sul Mar Mediterraneo e presentano caratteristiche dei cicloni tropicali, come la forma a spirale delle bande di nubi, un occhio privo di venti e nubi, venti intensi nella banda che circonda l���occhio e la presenza di un nucleo caldo. Nel presente lavoro, �� stata compiuta un���analisi del Medicane Numa, verificatosi nel novembre del 2017, utilizzando gli output della simulazione del modello RAMS-ISAC. L���obiettivo di questa tesi �� l���identificazione e la descrizione delle caratteristiche tropicali di Numa, focalizzandosi sulla descrizione dei diversi stadi di sviluppo del ciclone. Il sistema di bassa pressione �� stato identificato utilizzando la pressione sul livello del mare, mentre l���anomalia termica e il vento orizzontale hanno permesso una descrizione della struttura del Medicane e del suo nucleo caldo. Un���illustrazione della struttura a spirale delle bande di nubi e dell���occhio �� stata ottenuta con il grafico dei rapporti di mescolanza delle idrometeore di nubi e pioggia. Questi parametri hanno consentito di ricavare il diametro dell���occhio, pari a 75 km, mentre il diametro del Medicane �� risultato 230 km. Numa ha registrato una velocit�� massima del vento in superficie di 20 m/s nella banda adiacente all���occhio del ciclone. Il diagramma di Hart dello spazio delle fasi del ciclone ha confermato la natura simil-tropicale di Numa e ne ha descritto l���evoluzione, identificando la transizione da sistema a caratteri tropicali a sistema ibrido. La traiettoria nello spazio delle fasi ha consentito l���identificazione delle sottofasi dell���evoluzione di Numa, confermate dai grafici dell���evoluzione temporale dei parametri menzionati in precedenza. L���analisi ha mostrato il ruolo cruciale della presenza di una struttura organizzata nel determinare l���intensit�� e la durata delle caratteristiche tropicali. Tutti i parametri hanno evidenziato la simmetria della struttura durante la persistente fase matura di Numa.

Progettazione di sistema di distribuzione a cascata di ingranaggi a bassa emissione sonora per motore ad alte prestazioni

Il progetto �� stato svolto in collaborazione con HPE COXA, azienda modenese dedicata alla progettazione e simulazione di elementi meccanici per il settore automotive. La finalit�� del progetto di tesi presentato �� quella di progettare un sistema di distribuzione motore a cascata di ingranaggi dedicato ed adattato ad un motore termico V8, 4000cc gi�� esistente, cos�� da sostituire l���attuale sistema di distribuzione a catena e rocchetti. La peculiarit�� del meccanismo da progettare �� la bassa emissione sonora, la quale deve essere ottenuta mediante modifiche al profilo della dentatura e ad un corretto dimensionamento del sistema. Per riuscire a soddisfare la richiesta, si utilizzano software di progettazione e simulazione (KissSoft e KissSys) che consentono di studiare la fase di ingranamento delle ruote permettendo di comprenderne il comportamento. Lo studio approfondisce poi tematiche riguardanti la natura delle modifiche effettuate, la resistenza strutturale, la distribuzione delle forze e delle tensioni e la progettazione di un sistema di ancoraggio e lubrificazione che permetta il corretto funzionamento. Il lavoro sar�� completato poi con due appendici, le quali approfondiscono ancora pi�� nel dettaglio alcune delle caratteristiche delle modifiche del profilo di dentature elicoidali, le quali non sono state prese in considerazione per il progetto della distribuzione.

Numerical modelling of axially loaded piled foundations with physical tests validation

L'oggetto della tesi �� la modellazione numerica di pali di fondazione per turbine eoliche in ambiente offshore. Il metodo di modellazione comprende l'interpretazione di prove CPT per l'estrapolazione dei parametri geotecnici del terreno, la creazione di un modello dell'interazione tra struttura e terreno tramite il software agli elementi finiti Abaqus, la sua verifica, l'ottimizzazione dell'estensione del modello del terreno e della mesh e la simulazione numerica del comportamento di pali caricati assialmente in compressione. Grazie al confronto con i risultati di test su modelli fisici, eseguiti nel laboratorio dell'istituto Fraunhofer IWES di Hannover, di tre pali aventi la stessa geometria ma installati in punti con diverse condizioni di compattazione della sabbia, �� stata possibile la messa a punto di una strategia di simulazione pi�� accurata possibile e la sua validazione. A conclusione del lavoro �� stato eseguito un esempio di design di una fondazione jacket per una turbina eolica offshore.

Measurement of CP violation with $B^0_{(s)} \to h^+ h^{\prime-}$ decays, $|V_{cb}|$ with $B^0_{s}\to D^{(*)-}_s \mu^+ \nu_\mu$ decays, and simulation and characterisation of the LHCb Upgrade II ECAL

The time-dependent CP asymmetries of the $B^0\to\pi^+\pi^-$ and $B^0_s\toK^+K^-$ decays and the time-integrated CP asymmetries of the $B^0\toK^+\pi^-$ and $B^0_s\to\pi^+K^-$ decays are measured, using the $p-p$ collision data collected with the LHCb detector and corresponding to the full Run2. The results are compatible with previous determinations of these quantities from LHCb, except for the CP-violation parameters of the $B^0_s\to K^+K^-$ decays, that show a discrepancy exceeding 3 standard deviations between different data-taking periods. The investigations being conducted to understand the discrepancy are documented. The measurement of the CKM matrix element $|V_{cb}|$ using $B^0_{s}\to D^{(*)-}_s\mu^+ \nu_\mu$ is also reported, using the $p-p$ collision data collected with the LHCb detector and corresponding to the full Run1. The measurement leads to $|V_{cb}| = (41.4\pm0.6\pm0.9\pm1.2)\times 10^{-3}$, where the first uncertainty is statistical, the second is systematic, and the third is due to external inputs. This measurement is compatible with the world averages and constitutes the first measurement of $|V_{cb}|$ at a hadron collider and the absolute first one with decays of the $B^0_s$ meson. The analysis also provides the very first measurements of the branching ratio and form factors parameters of the signal decay modes. The study of the characteristics ruling the response of an electromagnetic calorimeter (ECAL) to profitably operate in the high luminosity regime foreseen for the Upgrade2 of LHCb is reported in the final part of this Thesis. A fast and flexible simulation framework is developed to this purpose. Physics performance of different configurations of the ECAL are evaluated using samples of fully simulated $B^0\to \pi^+\pi^-\pi^0$ and $B^0\to K^{*0}e^+e^-$ decays. The results are used to guide the development of the future ECAL and are reported in the Framework Technical Design Report of the LHCb Upgrade2 detector.

Development of JADE, a new software for the verification and validation of nuclear data libraries

Nuclear cross sections are the pillars onto which the transport simulation of particles and radiations is built on. Since the nuclear data libraries production chain is extremely complex and made of different steps, it is mandatory to foresee stringent verification and validation procedures to be applied to it. The work here presented has been focused on the development of a new python based software called JADE, whose objective is to give a significant help in increasing the level of automation and standardization of these procedures in order to reduce the time passing between new libraries releases and, at the same time, increasing their quality. After an introduction to nuclear fusion (which is the field where the majority of the V\&V action was concentrated for the time being) and to the simulation of particles and radiations transport, the motivations leading to JADE development are discussed. Subsequently, the code general architecture and the implemented benchmarks (both experimental and computational) are described. After that, the results coming from the major application of JADE during the research years are presented. At last, after a final discussion on the objective reached by JADE, the possible brief, mid and long time developments for the project are discussed.