Development and validation of a computationally efficient pseudo 3D model for planar SOFC integrated with a heating furnace

Efficient numerical models facilitate the study and design of solid oxide fuel cells (SOFCs), stacks, and systems. Whilst the accuracy and reliability of the computed results are usually sought by researchers, the corresponding modelling complexities could result in practical difficulties regarding the implementation flexibility and computational costs. The main objective of this article is to adapt a simple but viable numerical tool for evaluation of our experimental rig. Accordingly, a model for a multi-layer SOFC surrounded by a constant temperature furnace is presented, trained and validated against experimental data. The model consists of a four-layer structure including stand, two interconnects, and PEN (Positive electrode-Electrolyte-Negative electrode); each being approximated by a lumped parameter model. The heating process through the surrounding chamber is also considered. We used a set of V-I characteristics data for parameter adjustment followed by model verification against two independent sets of data. The model results show a good agreement with practical data, offering a significant improvement compared to reduced models in which the impact of external heat loss is neglected. Furthermore, thermal analysis for adiabatic and non-adiabatic process is carried out to capture the thermal behaviour of a single cell followed by a polarisation loss assessment. Finally, model-based design of experiment is demonstrated for a case study.

Variations développementales chez les poissons hybrides clonaux Chrosomus eos-neogaeus : transgressions phénotypiques en 3D

Le succès écologique des organismes dépend principalement de leur phénotype. Une composante important du phénotype est la morphologie fonctionnelle car elle influence la performance d’un organisme donné dans un milieu donné et donc reflète son écologie. Des disparités dans la morphologie fonctionnelle ou dans le développement entre espèces peuvent donc mener à des différences écologiques. Ce projet évalue le rôle des mécanismes de variation morphologique dans la production de différences écologiques entre espèces au sein des poissons hybrides du complexe Chrosomus eos-neogaeus. En utilisant la microtomodensitométrie à rayons X et la morphométrie géométrique 3D, la forme des éléments des mâchoires est décrite pour comparer la variation morphologique et les différences développementales entre les membres du complexe C. eos neogaeus. Les hybrides présentent autant de variation phénotypique que les espèces parentales et présentent des phénotypes nouveaux, dit transgressifs. Les hybrides présentent aussi des différences marquées avec les espèces parentales dans leur allométrie et dans leur intégration phénotypique. Finalement, ceux-ci semblent être plastiques et en mesure de modifier leur phénotype pour occuper plusieurs environnements. L’entièreté de ces résultats suggère que des changements dans le développement des hybrides entraînent une différenciation phénotypique et écologique avec les espèces parentales.

Investigating the mesh dependency and upscaling of 3D grain-based models for the simulation of brittle fracture processes in low-porosity crystalline rock

The application of 3D grain-based modelling techniques is investigated in both small and large scale 3DEC models, in order to simulate brittle fracture processes in low-porosity crystalline rock. Mesh dependency in 3D grain-based models (GBMs) is examined through a number of cases to compare Voronoi and tetrahedral grain assemblages. Various methods are used in the generation of tessellations, each with a number of issues and advantages. A number of comparative UCS test simulations capture the distinct failure mechanisms, strength profiles, and progressive damage development using various Voronoi and tetrahedral GBMs. Relative calibration requirements are outlined to generate similar macro-strength and damage profiles for all the models. The results confirmed a number of inherent model behaviors that arise due to mesh dependency. In Voronoi models, inherent tensile failure mechanisms are produced by internal wedging and rotation of Voronoi grains. This results in a combined dependence on frictional and cohesive strength. In tetrahedral models, increased kinematic freedom of grains and an abundance of straight, connected failure pathways causes a preference for shear failure. This results in an inability to develop significant normal stresses causing cohesional strength dependence. In general, Voronoi models require high relative contact tensile strength values, with lower contact stiffness and contact cohesional strength compared to tetrahedral tessellations. Upscaling of 3D GBMs is investigated for both Voronoi and tetrahedral tessellations using a case study from the AECL’s Mine-by-Experiment at the Underground Research Laboratory. An upscaled tetrahedral model was able to reasonably simulate damage development in the roof forming a notch geometry by adjusting the cohesive strength. An upscaled Voronoi model underestimated the damage development in the roof and floor, and overestimated the damage in the side-walls. This was attributed to the discretization resolution limitations.

Confirmação do modelo da estrutura 3D do vale inferior do Tejo a partir de dados de ruído sísmico ambiente

Ao longo de sua história a região do Vale Inferior do Tejo VIT foi abalada por vários sismos consideravelmente destrutivas, tendo alguns deles produzido significativas deformações nas estruturas marítimas localizadas no litoral a sudoeste do território Português; outros, moderados, foram produzidos por fontes locais, como os de 1344, 1531 e 1909. Nos últimos anos, devido à melhoria dos modelos de estrutura 3D e o desenvolvimento dos métodos numéricos, foram elaborados vários estudos de síntese de movimento forte do solo para a região do Baixo Tejo utilizando o método de diferenças finitas. Para confirmar o modelo de velocidades desta bacia usámos medidas de ruído sísmico, aplicámos um método baseado na razão espectral H/V, e, a partir destas curvas, por inversão, obtivemos um modelo de velocidades para a região estudada. Os resultados revelam uma boa concordância entre o modelo obtido e os dados geofísicos e geológicos recolhidos na mesma área._ ABSTRACT: Along his history the Lower Tagus Valley (LTV) area was shaken by several earthquakes. The largest reported had their origin in the southwestern part of Iberia. Other moderate earthquakes were produced by local sources such as the 1344, 1531 and the 1909. ln the last years, due to 3D structural model improvement and development in numerical methods, several studies have successful obtained strong-ground motion synthesis for the LVT region using finite difference method. To confirm the velocity model of the LTV sedimentary basin obtained by geophysical and geological data, we use broad-band microtremor measurements and application of the horizontal to vertical (H/V) spectral ratio method. We have obtained a velocity model for the studied region by inversion of the H/V curve. The results have good agreement geological and geophysical data.

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

Data analysis of collapse mechanisms of a 3D printed groin vault in shaking table testing

The aim of this novel experimental study is to investigate the behaviour of a 2m x 2m model of a masonry groin vault, which is built by the assembly of blocks made of a 3D-printed plastic skin filled with mortar. The choice of the groin vault is due to the large presence of this vulnerable roofing system in the historical heritage. Experimental tests on the shaking table are carried out to explore the vault response on two support boundary conditions, involving four lateral confinement modes. The data processing of markers displacement has allowed to examine the collapse mechanisms of the vault, based on the arches deformed shapes. There then follows a numerical evaluation, to provide the orders of magnitude of the displacements associated to the previous mechanisms. Given that these displacements are related to the arches shortening and elongation, the last objective is the definition of a critical elongation between two diagonal bricks and consequently of a diagonal portion. This study aims to continue the previous work and to take another step forward in the research of ground motion effects on masonry structures.

Numerical modelling of hydrodinamics and morphodynamics for the Friuli Venezia Giulia coast

Integrated Coastal Zone Management (ICZM) should be considered as one of the main components to be able to implement sustainable development. Friuli Venezia Giulia region with its 93 km of coastline is committed to investing its resources in projects aimed at studying the evolution of the coast. In this report, reference will be made to the area in front of the municipality of Grado, where the Banco della Mula di Muggia is located. Starting from previous studies and surveys, morphology of the coastal stretch between the municipality of Grado and the mouth of the Isonzo river will be reproduced through numerical modeling tools, to simulate its hydrodynamic behavior on an annual basis and also as a function of significant events such as storms, calm events or floods of the Isonzo river. The software employed will be the MIKE by DHI with in particular the implementation of "Littoral Drift" and "MIKE 21/3" Coupled models. The first to calculate net and gross longshore transport on an annual basis along a transverse profile, the latter is a modelling system for coastal application that will be used for the analysis of significant events effects. Although not primary focus of this work, there will be included an initial review of finger bars. These particular sand formations are present at the south-western border of the Banco della Mula di Muggia and may have an impact on it. This work could form the starting point of future investigations to build on the findings of this report.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

B-R1ING MoCap: registrazione e riproduzione dei movimenti umani su avatar 3D in realtà aumentata

Già da qualche anno si è stati introdotti alla possibilità di vivere in un mondo virtuale; basta indossare un paio di visori di realtà aumentata, virtuale e mista che riproducono nell’ambiente circostante oggetti che fisicamente non esistono. Negli ultimi mesi, inoltre, questa possibilità sta diventando sempre più concreta con l’introduzione, da parte dei colossi dell’informatica, del concetto di "Metaverso": un universo parallelo completamente digitale dove sarà possibile svolgere ogni attività sociale. L’obiettivo di questa tesi è quello di contribuire in piccola parte a questo enorme progetto creando una modalità di interazione tra utenti virtuale ma che si basa su comportamenti del tutto reali. A questo proposito il titolo dell’elaborato è: \textit{“B-R1ING MoCap: registrazione e riproduzione dei movimenti umani su avatar 3D in realtà aumentata”}. Lo scopo del progetto è quello di permettere a una persona di registrare un video in cui c’è un soggetto in movimento, salvare i movimenti del soggetto in un pacchetto dati e infine riprodurlo su un \textit{avatar} 3D che viene fatto agire in realtà aumentata. Il tutto farà parte di un’applicazione “social network” che permette l’interazione tra utenti in questo modo. Un utente può quindi registrare i movimenti umani e inviarli ad un altro utente che può riprodurre il messaggio in realtà aumentata tramite il suo smartphone. Viene introdotto così un nuovo tipo di comunicazione digitale indiretta passando dalla comunicazione scritta, ormai salda da decenni nei messaggi, alla comunicazione orale, introdotta da qualche anno tramite i messaggi vocali, alla comunicazione gestuale resa possibile dal lavoro in oggetto. Le fasi principali del progetto sono state due: una in cui, dopo aver individuato la tecnica migliore, è stato effettuato il "motion capture", un’altra in cui il movimento registrato è stato trasformato in animazione per un soggetto 3D che viene visualizzata in realtà aumentata.

Numerical modelling of axially loaded piled foundations with physical tests validation

L'oggetto della tesi è 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, è stata possibile la messa a punto di una strategia di simulazione più accurata possibile e la sua validazione. A conclusione del lavoro è stato eseguito un esempio di design di una fondazione jacket per una turbina eolica offshore.

Analysis of the impact of stationary energy storage systems in trolleybus grids using Simulink-based modelling

The voltage profile of the catenary between traction substations (TSSs) is affected by the trolleybus current intake and by its position with respect to the TSSs: the higher the current requested by the bus and the further the bus from the TSSs, the deeper the voltage drop. When the voltage drops below 500V, the trolleybus is forced to decrease its consumption by reducing its input current. This thesis deals with the analysis of the improvements that the installation of an BESS produces in the operation of a particularly loaded FS of the DC trolleybus network of the city of Bologna. The stationary BESS is charged by the TSSs during off-peak times and delivers the stored energy when the catenary is overloaded alleviating the load on the TSSs and reducing the voltage drops. Only IMC buses are considered in the prospect of a future disposal of all internal combustion engine vehicles. These trolleybuses cause deeper voltage drops because they absorb enough current to power their traction motor and recharge the on board battery. The control of the BESS aims to keep the catenary voltage within the admissible voltage range and makes sure that all physical limitations are met. A model of FS Marconi Trento Trieste is implemented in Simulink environment to simulate its daily operation and compare the behavior of the trolleybus network with and without BESS. From the simulation without BESS, the best location of the energy storage system is deduced, and the battery control is tuned. Furthermore, from the knowledge of the load curve and the battery control trans-characteristic, it is formulated a prediction of the voltage distribution at BESS connection point. The prediction is then compared with the simulation results to validate the Simulink model. The BESS allows to decrease the voltage drops along the catenary, the Joule losses and the current delivered by the TSSs, indicating that the BESS can be a solution to improve the operation of the trolleybus network.

Propagation modelling and resource allocation in mobile radio communications

Over the past years, ray tracing (RT) models popularity has been increasing. From the nineties, RT has been used for field prediction in environment such as indoor and urban environments. Nevertheless, with the advent of new technologies, the channel model has become decidedly more dynamic and to perform RT simulations at each discrete time instant become computationally expensive. In this thesis, a new dynamic ray tracing (DRT) approach is presented in which from a single ray tracing simulation at an initial time t0, through analytical formulas we are able to track the motion of the interaction points. The benefits that this approach bring are that Doppler frequencies and channel prediction can be derived at every time instant, without recurring to multiple RT runs and therefore shortening the computation time. DRT performance was studied on two case studies and the results shows the accuracy and the computational gain that derives from this approach. Another issue that has been addressed in this thesis is the licensed band exhaustion of some frequency bands. To deal with this problem, a novel unselfish spectrum leasing scheme in cognitive radio networks (CRNs) is proposed that offers an energy-efficient solution minimizing the environmental impact of the network. In addition, a network management architecture is introduced and resource allocation is proposed as a constrained sum energy efficiency maximization problem. System simulations demonstrate an increment in the energy efficiency of the primary users’ network compared with previously proposed algorithms.

Progettazione, modellazione e integrazione di risorse rinnovabili per promuovere lo sfruttamento dell'energia da moto ondoso e la Blue Growth.

L’energia da onda potrebbe assumere un ruolo fondamentale per la transizione energetica durante i prossimi decenni, grazie alla sua continuità nel tempo molto superiore rispetto ad altre risorse rinnovabili e alla sua vasta distribuzione nello spazio. Tuttavia, l’energia da onda è ancora lontana dall’essere economicamente sostenibile, a causa di diverse problematiche tecnologiche e alle difficoltà finanziarie associate. In questa ricerca, si è innanzitutto affrontata una delle maggiori sfide tecniche, nello specifico la progettazione e modellazione di sistemi di ancoraggio per i dispositivi galleggianti, proponendo possibili soluzioni per la modellazione numerica di sistemi di ancoraggio complessi e per l’ottimizzazione dei dispositivi stessi. Successivamente sono state analizzate le possibili sinergie strategiche di installazioni per lo sfruttamento della energia da onda con altre risorse rinnovabili e la loro applicazione nel contesto di aree marine multiuso. In particolare, una metodologia per la valutazione della combinazione ottimale delle risorse rinnovabili è stata sviluppata e verificata in due diversi casi studio: un’isola e una piattaforma offshore. Si è così potuto evidenziare l’importante contributo della risorsa ondosa per la continuità energetica e per la riduzione della necessità di accumulo. Inoltre, è stato concepito un metodo di supporto decisionale multicriteriale per la valutazione delle opzioni di riuso delle piattaforme offshore alla fine della loro vita operativa, come alternativa al decommissionamento, nell’ottica di una gestione sostenibile e della ottimizzazione dell’uso dello spazio marino. Sulla base dei criteri selezionati, l’inclusione di attività innovative come la produzione di energia da onda si è dimostrata essere rilevante per rendere vantaggioso il riuso rispetto al decommissionamento. Numerosi studi recenti hanno infatti sottolineato che, nell’ambito della “crescita blu”, i mercati come l’oil&gas, le attività offshore e le isole stimoleranno lo sviluppo di tecnologie innovative come lo sfruttamento dell’energia da onda, promuovendo la sperimentazione e fornendo un importante contributo all’avanzamento tecnico e alla commercializzazione.

Preventing worker’s musculoskeletal disorders with wearable inertial sensors: ergonomics and modelling of physical human-robot interactions

The most widespread work-related diseases are musculoskeletal disorders (MSD) caused by awkward postures and excessive effort to upper limb muscles during work operations. The use of wearable IMU sensors could monitor the workers constantly to prevent hazardous actions, thus diminishing work injuries. In this thesis, procedures are developed and tested for ergonomic analyses in a working environment, based on a commercial motion capture system (MoCap) made of 17 Inertial Measurement Units (IMUs). An IMU is usually made of a tri-axial gyroscope, a tri-axial accelerometer, and a tri-axial magnetometer that, through sensor fusion algorithms, estimates its attitude. Effective strategies for preventing MSD rely on various aspects: firstly, the accuracy of the IMU, depending on the chosen sensor and its calibration; secondly, the correct identification of the pose of each sensor on the worker’s body; thirdly, the chosen multibody model, which must consider both the accuracy and the computational burden, to provide results in real-time; finally, the model scaling law, which defines the possibility of a fast and accurate personalization of the multibody model geometry. Moreover, the MSD can be diminished using collaborative robots (cobots) as assisted devices for complex or heavy operations to relieve the worker's effort during repetitive tasks. All these aspects are considered to test and show the efficiency and usability of inertial MoCap systems for assessing ergonomics evaluation in real-time and implementing safety control strategies in collaborative robotics. Validation is performed with several experimental tests, both to test the proposed procedures and to compare the results of real-time multibody models developed in this thesis with the results from commercial software. As an additional result, the positive effects of using cobots as assisted devices for reducing human effort in repetitive industrial tasks are also shown, to demonstrate the potential of wearable electronics in on-field ergonomics analyses for industrial applications.

Numerical modelling of rock masses interacting with dams: the case of Ridracoli

A three-dimensional Direct Finite Element procedure is here presented which takes into account most of the factors affecting the interaction problem of the dam-water-foundation system, whilst keeping the computational cost at a reasonable level by introducing some simplified hypotheses. A truncated domain is defined, and the dynamic behaviour of the system is treated as a wave-scattering problem where the presence of the dam perturbs an original free-field system. The rock foundation truncated boundaries are enclosed by a set of free-field one-dimensional and two-dimensional systems which transmit the effective forces to the main model and apply adsorbing viscous boundaries to ensure radiation damping. The water domain is treated as an added mass moving with the dam. A strategy is proposed to keep the viscous dampers at the boundaries unloaded during the initial phases of analysis, when the static loads are initialised, and thus avoid spurious displacements. A focus is given to the nonlinear behaviour of the rock foundation, with concentrated plasticity along the natural discontinuities of the rock mass, immersed in an otherwise linear elastic medium with Rayleigh damping. The entire procedure is implemented in the commercial software Abaqus®, whose base code is enriched with specific user subroutines when needed. All the extra coding is attached to the Thesis and tested against analytical results and simple examples. Possible rock wedge instabilities induced by intense ground motion, which are not easily investigated within a comprehensive model of the dam-water-foundation system, are treated separately with a simplified decoupled dynamic approach derived from the classical Newmark method, integrated with FE calculation of dam thrust on the wedges during the earthquake. Both the described approaches are applied to the case study of the Ridracoli arch-gravity dam (Italy) in order to investigate its seismic response to the Maximum Credible Earthquake (MCE) in a full reservoir condition.