Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.

Validazione preliminare del modello dinamico di un turboalbero aeronautico

Il bisogno di creare dei metodi per l’identificazione delle performance e strumenti di diagnosi è sempre maggiore nelle turbomacchine. Le case costruttrici di motori, in generale, sono guidate dalle richieste del mercato e da normative sempre più severe, e ricercano quindi da un lato, sempre migliori prestazioni come ad esempio la diminuzione dei consumi e, dall’altro, l’abbattimento degli agenti inquinanti. In ambito industriale si ha l’esigenza di rendere più rapidi i tempi di progettazione e sviluppo dei motori per l’abbattimento dei costi di progettazione e per minimizzare il tempo di commercializzazione. Ecco perché entra in gioco, ed assume importanza, l’uso della simulazione numerica che fornisce informazioni utili sia in fase di verifica, che in fase di progetto di tutti i componenti del motore, anche quelli che sarebbero difficilmente accessibili per misure sperimentali. Al contempo i calcolatori moderni diventano facilmente e rapidamente sempre più potenti riducendo così i tempi di calcolo, e ciò ha consentito l’uso di tecniche numeriche che prima sarebbero risultate impensabili da utilizzare. Per mezzo dell’uso di codici di tipo bi o tri-dimensionale è possibile conoscere e valutare i valori delle grandezze termodinamiche del fluido che attraversa il motore punto per punto. Questi metodi presentano un elevata accuratezza ma hanno anche lo svantaggio di richiedere un elevato costo computazionale con conseguente aumento dei tempi di calcolo. In più hanno bisogno di molti dati di input per il modello matematico, e dipendono fortemente dalle condizioni iniziali e dalle condizioni al contorno. Nasce quindi l'esigenza di un ambiente di sviluppo che consenta una modellazione semplificata degli elementi costituenti il motore, ed un rapido interfacciamento con modelli locali più sofisticati. Inoltre, se si vogliono ottimizzare dei parametri relativi all’impianto globale oppure se si desidera avere un quadro generale delle prestazioni del motore è sufficiente usare modelli 0-D e 1-D per i vari componenti del motore. Sono stati svolti molti studi concentrati sullo sviluppo di strumenti capaci di supportare operazioni di pianificazione e/o per validare analisi di diagnosi.

Analisi distribuzioni degli elementi delle matrici di un controllo h-infinito

Lo studio di tesi che segue analizza un problema di controllo ottimo che ho sviluppato con la collaborazione dell'Ing. Stefano Varisco e della Dott.ssa Francesca Mincigrucci, presso la Ferrari Spa di Maranello. Si è trattato quindi di analizzare i dati di un controllo H-infinito; per eseguire ciò ho utilizzato i programmi di simulazione numerica Matlab e Simulink. Nel primo capitolo è presente la teoria dei sistemi di equazioni differenziali in forma di stato e ho analizzato le loro proprietà. Nel secondo capitolo, invece, ho introdotto la teoria del controllo automatico e in particolare il controllo ottimo. Nel terzo capitolo ho analizzato nello specifico il controllo che ho utilizzato per affrontare il problema richiesto che è il controllo H-infinito. Infine, nel quarto e ultimo capitolo ho specificato il modello che ho utilizzato e ho riportato l'implementazione numerica dell'algoritmo di controllo, e l'analisi dei dati di tale controllo.

Crack-growth of medical-grade silicone using pure shear tests

Silicone elastomers are commonly used in the manufacture of single-piece joint replacement implants for the finger joints. However, the survivorship of these implants can be poor, with failure typically occurring from fracture of the stems. The aim of this paper was to investigate the crack growth of medical-grade silicone using pure shear tests. Two medical-grade silicones (C6-180 and Med82-5010-80) were tested. Each sample had a 20 mm crack introduced and was subjected to a sinusoidally varying tensile strain, with a minimum of 0 per cent and a maximum in the range 10 to 77 per cent. Testing was undertaken at a frequency of 10 Hz. At various times during testing, the testing machine was stopped, the number of cycles completed was noted, and the crack length measured. Graphs of crack length against number of cycles were plotted, as well as the crack growth rate against tearing energy. The results show that Med82-5010-80 is more crack resistant than C6-180. Graphs of crack growth rate against tearing energy can be used to predict the failure of these medical-grade elastomers.

Modello matematico per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna

In questo lavoro di tesi si è realizzato un modello matematico con l’intento di fornire uno strumento per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna. L’ EECP (Enhanced External Counterpulsation) è un metodo non invasivo di assistenza cardiaca basato sull’applicazione di pressioni sincronizzate col ritmo cardiaco su determinate superfici corporee. I benefici della terapia su pazienti con sofferenze cardiache sono confermati dalle tabelle cliniche; rimane tuttavia non chiaro il legame diretto tra questi e la EECP. La base del lavoro è un modello della circolazione sanguigna adattato allo studio della situazione in esame e riprodotto mediante il software di calcolo Matlab. Il modello proposto e la relativa simulazione numerica permettono la visualizzazione istantanea delle modifiche che l’azione di contropulsazione apporta al flusso e alla pressione sanguigna, al fine di offrire un aiuto nella ricerca di un legame diretto tra la EECP e i benefici che questa terapia ha sul paziente.

Bond characteristics between CFRP and steel plates in double strap joints

This paper describes a series of double strap shear tests loaded in tension to investigate the bond between CFRP sheets and steel plates. Both normal modulus (240 GPa) and high modulus (640 GPa) CFRPs were used in the test program. Strain gauges were mounted to capture the strain distribution along the CFRP length. Different failure modes were observed for joints with normal modulus CFRP and those with high modulus CFRP. The strain distribution along the CFRP length was found to be similar for the two cases. A shorter effective bond length was obtained for joints with high modulus CFRP whereas larger ultimate load carrying capacity can be achieved for joints with normal modulus CFRP when the bond length is long enough. The Hart-Smith Model was modified to predict the effective bond length and ultimate load carrying capacity of joints between the normal modulus CFRP and steel plates. The Multilayer Distribution Model developed by the authors was modified to predict the load carrying capacity of joints between the high modulus CFRP and steel plates. The predicted values agreed well with experimental ones.

Joint Strength and Wall Deformation Characteristics of a Single-Cell Geocell Subjected to Uniaxial Compression

Geocells are three-dimensional expandable panels with a wide range of applications in geotechnical engineering. A geocell is made up of many internally connected single cells. The current study discusses the joint strength and the wall deformation characteristics of a single cell when it is subjected to uniaxial compression. The study helps to understand the causes for the failure of the single cell in a cellular confinement system. Experimental studies were conducted on single cells with cell pockets filled up with three different infill materials, namely silty clay, sand, and the aggregates. The results of the experimental study revealed that the deformation of the geocell wall decreases with the increase in the friction angle of the infill material. Experimental results were also validated using numerical simulations carried out using Lagrangian analysis software. The experiment and the numerical results were found to be in good agreement with each other. A simple analytical model based on the theory of thin cylinders is also proposed to calculate the accumulated strain of the geocell wall. This model operates under a simple elastic solution framework. The proposed model slightly overestimates the strains as compared with experimental and numerical values. (C) 2014 American Society of Civil Engineers.

Analysis of CFRP strap-strengthened reinforced concrete beams using the modified compression field theory (MCFT)

External, prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP) straps can be used to enhance the shear strength of existing reinforced concrete beams. In order to effectively design a strengthening system, a rational predictive theory is required. The current work investigates the ability of the modified compression field theory (MCFT) to predict the behavior of rectangular strap strengthened beams where the discrete CFRP strap forces are approximated as a uniform vertical stress. An unstrengthened control beam and two strengthened beams were tested to verify the predictions. The experimental results suggest that the MCFT could predict the general response of a strengthened beam with a uniform strap spacing < 0.9d. However, whereas the strengthened beams failed in shear, the MCFT predicted flexural failures. It is proposed that a different compression softening model or the inclusion of a crack width limit is required to reflect the onset of shear failures in the strengthened beams.