Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.

Utilizzo della metodologia Life Cycle Assessment combinata al modello RothC per valutare gli impatti ambientali in aziende vitivinicole a diverso regime di conduzione

A causa del riscaldamento globale, tutti i settori produttivi sono incentivati ad attuare strategie e tecnologie volte a ridurre le emissioni climalteranti. Per il settore agricolo, una gestione più sostenibile del suolo permetterebbe di rimuovere CO2 dall’atmosfera, stoccandola come C organico nel suolo. Il presente studio si pone l’obiettivo di quantificare gli impatti della produzione dell’uva e del vino imbottigliato dal punto di vista degli aspetti ambientali più rilevanti, approfondendo particolarmente il cambiamento climatico attraverso la metodologia Life Cycle Assessment (LCA). Inoltre, attraverso la determinazione delle dinamiche del C organico nel suolo mediante il modello RothC, lo studio cerca di capire se l'integrazione dei risultati di uno studio LCA con quelli del modello RothC possano fornire informazioni aggiuntive utili a un miglioramento della performance ambientale del prodotto agricolo. Il caso studio riguarda due aziende vitivinicole, situate in Emilia-Romagna che attuano due diverse tipologie di gestione (naturale e convenzionale). La metodologia LCA è stata applicata ad entrambi gli scenari selezionando i parametri metodologici più appropriati a seconda dello scenario in esame, e.g. i confini del sistema e l’unità funzionale, mentre, il modello RothC è stato applicato unicamente alla fase di coltivazione dell’uva. I risultati LCA mostrano le migliori prestazioni per la produzione dell’uva dell’azienda naturale per quasi tutte le categorie d’impatto, incluso il cambiamento climatico. Nella produzione del vino imbottigliato, la fase di coltivazione e quella di imbottigliamento risultano le più impattanti. I risultati di RothC evidenziano invece migliori prestazioni da parte dell’azienda convenzionale. L’integrazione dei risultati LCA con quelli di RothC rappresentano dunque un’operazione cruciale nel determinare quale sia l’effettivo impatto delle aziende agricole sul cambiamento climatico e come migliorarlo in futuro.

Modelli PLI per la pianificazione di attività di satelliti

Questo lavoro è incentrato sulla pianificazione delle acquizioni e scaricamento del satellite PLATiNO. Le operazioni permesse a questo satellite sono vincolate da varie attività tra cui acquisizioni, manovre e scaricamento di dati. L'obiettivo finale è quello di soddisfare più richieste possibili massimizzando le operazioni del satellite senza però violare i vincoli imposti. A questo scopo, è stato sviluppato un modello in formulazione MILP per una versione rilassata del problema. In questa Tesi vengono innanzitutto trattati i principali argomenti di programmazione lineare e intera in modo da poter affrontare il modello matematico inerente al problema di downlink di PLATiNO. Successivamente viene descritto nel dettaglio il problema da modellizzare, con particolare attenzione alla strategia di downlink, che costituisce l'aspetto più problematico nella costruzione del modello. Si opta, infatti, per una formulazione mista rilassando i vincoli inerenti allo scaricamento dei dati. Infine, vengono valutate le prestazioni del modello rilassato confrontandolo con la sua versione esatta.

Studio e sperimentazione di missioni autonome di un veicolo terrestre controllato con sistemi inerziali e satellitari

L'argomento del lavoro di tesi svolto ha lo scopo di testare le prestazioni di dispositivi riceventi per Global Navigation Satellite System (GNSS) che utilizzano la tecnologia di posizionamento Real-Time Kinematics (RTK) e valutarne le prestazioni rispetto alle tradizionali riceventi GNSS, nello sviluppo di missioni autonome per veicoli di terra di piccole dimensioni. Per questi esperimenti è stato usato un rover di piccole dimensioni alimentato a batteria, su cui è stato installato un autopilota Pixhawk Cube Orange con firmware Ardupilot, nello specifico Ardurover. Attraverso il software Mission Planner è stato richiesto al rover di effettuare completamente in autonomia delle missioni per testare sia le prestazioni dei sistemi GNSS tradizionali sia dei sistemi RTK. Attraverso i dati raccolti durante le sperimentazioni è stato fatto un confronto tra GNSS e RTK. I dati raccolti sono stati utilizzati per valutare le prestazioni in termini di precisione dei sistemi e non sono state rilevate significative differenze durante l'utilizzo del dispositivo RTK per lo svolgimento della missione richiesta al rover, con l'architettura hardware proposta.

Rimozione e recupero di ammonio da acque reflue tramite adsorbimento e scambio ionico utilizzando materiali innovativi

Presso i laboratori del DICAM dell’Università di Bologna, partner del progetto FIT4REUSE, si studiano materiali adsorbenti innovativi per la rimozione ed il recupero di ammonio e fosfato dalle acque reflue municipali, mediante processo di scambio ionico in continuo su letto fisso, con l’obbiettivo di separare e concentrare l’azoto e il fosforo al fine di ottenere prodotti utilizzabili come fertilizzanti. Nello specifico questo elaborato di tesi riporta lo studio di due geopolimeri per l’adsorbimento di azoto, il geopolimero Na1.2G e il K1.2G, e li confronta con il geopolimero G13 che finora ha mostrato le prestazioni migliori.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di sensori capacitivi a fluido dielettrico.

Ad oggi, misurare grandezze fisiche in maniera pratica, distribuita e sostenibile è di grande importanza al fine di poter attivare strategie di digitalizzazione di qualsiasi applicazione: da quelle industriali con robotica collaborativa, fino alla domotica o tecnologia indossabile. La sfida di oggi consiste nel poter creare dei sensori che possano abilitare questi contesti, risultando efficienti, a basso consumo energetico e sostenibili in termini di materiali e componenti utilizzati. L’obiettivo della tesi è infatti quello di valutare una classe innovativa di sensori con principio di funzionamento capacitivo che risultino facili da progettare, fabbricare ed utilizzare. Nello specifico, due tipologie di sensore sono state sviluppate: uno per la misura di forza, l’altro per la misura angolare. Entrambi i dispositivi sono stati realizzati con materiale elastomerico a base di silicone, accoppiato con elettrodi conformi, in un sistema capacitivo deformabile. All’interno di questi sistemi, sono state ricavate delle camere per il contenimento di un fluido dielettrico al fine di poter monitorare lo spostamento del fluido per la misura capacitiva. La tesi riporta le linee guida principali per la progettazione di sensori che utilizzino componenti elastomerici sia conduttori che dielettrici, in combinazione con un fluido per una misura capacitiva. Successivamente, sono riportati tutti gli step di fabbricazione delle due architetture di sensore realizzate, discutendo i vari passaggi ed elencando i materiali utilizzati. Infine, le performance dei due sensori sono valutate sulla base dei risultati di una campagna sperimentale dedicata, eseguita su due setup di banco prova distinti progettati per testare la forza applicata per il primo sensore, e l’angolo di inclinazione per il secondo. Nelle conclusioni viene riportata la valutazione dell’efficienza di questi due sensori, insieme alle evoluzioni future per rendere questa proposta tecnologica affidabile e ad alte prestazioni.

Studio sperimentale di una pompa di calore elio-assistita a CO2 per la climatizzazione e la produzione di acqua calda sanitaria

Il seguente lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio delle prestazioni energetiche di una pompa di calore elio-assistita, reversibile e multi-sorgente, la quale combina la tecnologia delle pompe di calore aria-acqua con quella dei collettori solari ibridi termo-fotovoltaici. L’impianto oggetto di studio è situato presso il centro di ricerca ENEA Casaccia ed è stato sviluppato con lo scopo di soddisfare la richiesta di riscaldamento/raffrescamento e produzione di acqua calda di un edificio residenziale o commerciale. In questo elaborato si è analizzato il funzionamento invernale della pompa di calore finalizzato alla produzione di acqua calda sanitaria, confrontando due modalità operative differenti con diverse impostazioni di lavoro della frequenza del compressore e della valvola di laminazione. L’elemento distintivo delle due modalità operative è il componente avente la funzione di evaporatore in quanto in una modalità è stata impiegata una batteria alettata con ventilazione forzata, mentre nell’altra un campo di pannelli termo-fotovoltaici. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali hanno evidenziato migliori prestazioni della pompa di calore con i collettori ibridi termo-fotovoltaici, in caso di presenza di elevati valori di irraggiamento solare. Elemento di innovazione dell’impianto sperimentale è l’utilizzo del fluido naturale R744 (CO2) come refrigerante il quale viene sfruttato anche per raffreddare le celle fotovoltaiche comportando in questo modo, un doppio effetto utile all’impianto stesso: miglioramento del rendimento elettrico dei collettori solari e contemporaneamente un incremento della temperatura di evaporazione con conseguente beneficio sulle prestazioni della pompa di calore.

Caratterizzazione della pericolosità alluvionale nelle aree di pianura attraverso l'analisi di indici morfometrici

la gestione ottimale del rischio alluvionale è un ambito di ricerca di grande rilevanza a livello nazionale e internazionale. Con riferimento alle alluvioni, infatti, sono state proposte in letteratura diverse tecniche innovative per la previsione e la mitigazione del rischio alluvionale. Tra di esse spiccano le tecniche speditive di mappatura della pericolosità idraulica ottenute attraverso l'utilizzo di descrittori geomorfici. Detti approcci derivano descrittori morfologici analizzando modelli digitali delle quote del terreno (DEM) ed in base ad essi forniscono una mappatura di pericolosità idraulica da alluvione. Che gioco svolge la risoluzione del DEM di partenza sull'accuratezza dei prodotti finali? La combinazione di DEM a diversa risoluzione migliora le prestazioni dei singoli dataset? Il lavoro di Tesi analizza l'importanza della risoluzione del DEM di partenza sull'accuratezza delle mappature conseguibili, utilizzando come riferimento l'area del bacino del Samoggia con chiusura a Calcara. I risultati ottenuti mostrano come: (a) le caratteristiche dei descrittori geomorfici considerati sembrano essere influenzate significativamente da quelle del DEM utilizzato come dato in ingresso e (b) DEM ad elevata risoluzione portino ad un aumento nell'accuratezza della mappatura di pericolosità.

Progetto concettuale e modellazione CAD di idrovolanti

L’idrovolante è un velivolo in grado di decollare ed ammarare su uno specchio d’acqua e che, quindi, non necessita di infrastrutture di terra come aeroporti. Questa caratteristica lo rende ideale per certe tipologie di missione e gli permette di operare in zone remote e poco accessibili ai velivoli convenzionali. Il prezzo da pagare per questa maggiore libertà di impiego sono le peggiori prestazioni di un idrovolante rispetto alle sue controparti di terra, soprattutto in termini di peso e resistenza aerodinamica. In questa tesi si analizzano i metodi per la progettazione di un idrovolante e, in particolare, dei suoi scarponi, che sono il dispositivo che gli consente di galleggiare e svolgere operazioni sull’acqua. Successivamente, si applicano queste metodologie alla progettazione degli scarponi per tre velivoli in configurazione convenzionale. Si descrive in seguito come produrre un disegno CAD di questi velivoli con e senza scarponi tramite il software Solidworks e, sempre con questo programma, come svolgere simulazioni di fluidodinamica per un calcolo indicativo del loro coefficiente di resistenza aerodinamica in condizioni di volo livellato. Si vede, poi, come effettuare una stima del peso totale al decollo di un velivolo e si calcola l’aumento percentuale di questo parametro nella trasformazione dei velivoli selezionati in idrovolanti. Infine, si confrontano i risultati ottenuti per i coefficienti di resistenza e per il peso massimo al decollo per quantificare il calo di prestazioni causato dalla presenza degli scarponi. Osservando come questo sia significativo, si conclude che l’impiego degli idrovolanti è destinato a rimanere limitato ai soli casi in cui le operazioni da specchi d’acqua non presentino altre alternative: questo a meno che non si riescano ad ideare nuove soluzioni costruttive in grado di risolvere le principali problematiche di questo tipo di velivolo.

Progetto concettuale di dirigibile per trasporto di gas

Lo scopo principale di questo elaborato di tesi è poter fornire degli strumenti per il progetto concettuale di un dirigibile non-rigido e per valutare la fattibilità del trasporto di idrogeno gassoso. L’innovazione rispetto ai dirigibili utilizzati fino ad ora risiede nell’utilizzo di idrogeno sia come fonte di energia, che come gas di sollevamento; entrambi gli utilizzi verranno approfonditi con speciale attenzione alle problematiche legate alla sicurezza, fattore che ha interrotto l’uso dell’idrogeno come gas di sollevamento dagli anni ‘30. Oltre a ciò, verrà illustrato un breve confronto tra i due gas di sollevamento più utilizzati: elio ed idrogeno. Dopo un accenno storico, l’elaborato propone una metodologia per il dimensionamento di un dirigibile non-rigido, utilizzando strumenti matematici derivanti da modelli presenti in bibliografia e da considerazioni ed esperimenti svolti dai progettisti e dai ricercatori nei campi principali coinvolti nella progettazione dei dirigibili non-rigidi: aerodinamica, aerostatica, propulsione e stima delle masse. La progettazione di un dirigibile non-rigido ad idrogeno sicuro ed affidabile è influenzata dallo sviluppo di materiali che garantiscano, in primis, resistenza e bassa permeabilità: verrà presentato uno schema di un materiale composito laminato che potrebbe garantire requisiti di sicurezza superiori ai materiali utilizzati in passato, dei quali si farà un accenno. Alla fine dell’elaborato sarà presentato un caso di studio dove verranno utilizzati gli strumenti illustrati nella prima parte della tesi, con l’obbiettivo finale di dimensionare un dirigibile non-rigido ad idrogeno. Per questo caso di studio è stato implementato un breve codice MATLAB. A conclusione di questo lavoro di tesi si può dire che la fattibilità di un dirigibile per trasporto idrogeno dipende dallo sviluppo di materiali e tecniche adeguate alla gestione dell’idrogeno che costituisce enormi problematiche a livello di sicurezza.

Sintesi di compositi nanostrutturati a base di TiO2 per la depurazione delle acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione di fotocatalizzatori a base di nano-TiO2 per potenziali applicazioni nel campo della depurazione delle acque reflue. Nello specifico sono stati sintetizzati nanocompositi accoppiando nano-TiO2 a due materiali grafitici: ossido di grafene (GO), tramite ultrasonicazione (TGO) e nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), attraverso due tecniche: ultrasonicazione e polimerizzazione termica in situ. Per i compositi TGO lo studio relativo alla sintesi è stato rivolto all’ottimizzazione della percentuale in peso di GO. Per i compositi a base di g-C3N4 lo scopo è stato quello di valutare quale dei due metodi di sintesi fosse il più efficace. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico (DLS-ELS, XRD, Band Gap, BET, SEM, FT-IR, TGA-DSC) e funzionale. La caratterizzazione funzionale è stata eseguita per valutare le prestazioni fotocatalitiche dei fotocatalizzatori nanocompositi utilizzando, come reazione modello, la fotodegradazione di Rodamina B, sotto luce UV e solare. I risultati hanno messo in luce che la percentuale ottimale di GO, nei compositi TGO, è pari al 16%. Inoltre, è stato osservato un effetto sinergico tra TiO2 e GO dove i nanocompositi TGO hanno mostrato maggiore attività fotocatalitiche rispetto alla singola TiO2. I dati fotocatalitici hanno evidenziato che il metodo ottimale per la preparazione dei compositi a base di g-C3N4 e TiO2, è la polimerizzazione termica in situ a 500°C.

Analisi energetica e ottica di una fornace solare in funzione dell'apertura e del fattore di concentrazione

Il principale obiettivo del seguente elaborato è quello di fornire una spiegazione introduttiva sul funzionamento delle fornaci solari, implementare la progettazione di una di queste, concentrandosi specialmente sulla analisi ottica e meno su ciò che concerne la chimica del reattore. In particolare vengono analizzate le prestazioni della fornace andando a variare dimensione e forma dello specchio primario a parità di focale, ottenendo così un'analisi del dispositivo in funzione del fattore di concentrazione.

Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Metodologie di Corrispondenza Stereo Basate su Deep Learning per Superfici Altamente Riflettenti e Trasparenti: Dataset e Architettura

Nell’ambito della Stereo Vision, settore della Computer Vision, partendo da coppie di immagini RGB, si cerca di ricostruire la profondità della scena. La maggior parte degli algoritmi utilizzati per questo compito ipotizzano che tutte le superfici presenti nella scena siano lambertiane. Quando sono presenti superfici non lambertiane (riflettenti o trasparenti), gli algoritmi stereo esistenti sbagliano la predizione della profondità. Per risolvere questo problema, durante l’esperienza di tirocinio, si è realizzato un dataset contenente oggetti trasparenti e riflettenti che sono la base per l’allenamento della rete. Agli oggetti presenti nelle scene sono associate annotazioni 3D usate per allenare la rete. Invece, nel seguente lavoro di tesi, utilizzando l’algoritmo RAFT-Stereo [1], rete allo stato dell’arte per la stereo vision, si analizza come la rete modifica le sue prestazioni (predizione della disparità) se al suo interno viene inserito un modulo per la segmentazione semantica degli oggetti. Si introduce questo layer aggiuntivo perché, trovare la corrispondenza tra due punti appartenenti a superfici lambertiane, risulta essere molto complesso per una normale rete. Si vuole utilizzare l’informazione semantica per riconoscere questi tipi di superfici e così migliorarne la disparità. È stata scelta questa architettura neurale in quanto, durante l’esperienza di tirocinio riguardante la creazione del dataset Booster [2], è risultata la migliore su questo dataset. L’obiettivo ultimo di questo lavoro è vedere se il riconoscimento di superfici non lambertiane, da parte del modulo semantico, influenza la predizione della disparità migliorandola. Nell’ambito della stereo vision, gli elementi riflettenti e trasparenti risultano estremamente complessi da analizzare, ma restano tuttora oggetto di studio dati gli svariati settori di applicazione come la guida autonoma e la robotica.

Adattamento e valutazione del software di ricostruzione Patatrack per rivelatori a pixel applicato a dati TrackML

La ricostruzione delle traiettorie delle particelle prodotte dai vertici di interazione a LHC è di fondamentale importanza per tutti gli esperimenti. Questo passo è uno dei più dispendiosi in termini di tempo e calcolo computazionale nella catena di ricostruzione dell’evento e diventa sempre più complesso con l’aumentare del numero di collisioni. L’esperimento CMS adotta un rivelatore di tracciamento con tecnologia al silicio, dove la parte più interna sfrutta rivelatori con geometria a pixel, mentre la parte esterna utilizza delle strisce di silicio. Per quanto riguarda la ricostruzione nel rivelatore a pixel, sono stati sviluppati diversi algoritmi ottimizzati per fronteggiare l’alto rate di acquisizione dati, sfruttando anche il calcolo parallelo su GPU, con un’efficienza di tracciamento comparabile o superiore agli algoritmi precedentemente utilizzati. Questi nuovi algoritmi sono alla base del software Patatrack per la ricostruzione delle traiettorie. Il lavoro descritto in questa tesi punta ad adattare Patatrack ad una geometria diversa e più complessa di quella di CMS e di valutarne le prestazioni di fisica e computazionali. Sono stati utilizzati i dati forniti dalla TrackML challenge, il cui scopo è incentivare lo sviluppo di nuovi algoritmi di ricostruzione di tracce per gli esperimenti in fisica delle alte energie. E' stato condotto uno studio approfondito della nuova geometria per potervi successivamente adattare il software esistente. Infine, la catena di ricostruzione è stata modificata per poter utilizzare i dati forniti dalla TrackML challenge e permettere la ricostruzione delle traiettorie.