Towards Centrifugal Compressor Stages Virtual Testing

Flow features inside centrifugal compressor stages are very complicated to simulate with numerical tools due to the highly complex geometry and varying gas conditions all across the machine. For this reason, a big effort is currently being made to increase the fidelity of the numerical models during the design and validation phases. Computational Fluid Dynamics (CFD) plays an increasing role in the assessment of the performance prediction of centrifugal compressor stages. Historically, CFD was considered reliable for performance prediction on a qualitatively level, whereas tests were necessary to predict compressors performance on a quantitatively basis. In fact "standard" CFD with only the flow-path and blades included into the computational domain is known to be weak in capturing efficiency level and operating range accurately due to the under-estimation of losses and the lack of secondary flows modeling. This research project aims to fill the gap in accuracy between "standard" CFD and tests data by including a high fidelity reproduction of the gas domain and the use of advanced numerical models and tools introduced in the author's OEM in-house CFD code. In other words, this thesis describes a methodology by which virtual tests can be conducted on single stages and multistage centrifugal compressors in a similar fashion to a typical rig test that guarantee end users to operate machines with a confidence level not achievable before. Furthermore, the new "high fidelity" approach allowed understanding flow phenomena not fully captured before, increasing aerodynamicists capability and confidence in designing high efficiency and high reliable centrifugal compressor stages.

Verifiche di vulnerabilità sismica della Facolta di Fisica a Bologna

Valutazione della vulnerabilità sismica di una struttura mista in muratura e calcestruzzo armato esistente. Caratterizzazione meccanica dei materiali mediante prove diagnostiche. Modellazione strutturale attraverso un programma agli elementi finiti (SAP2000), verifiche statiche e sismiche condotte secondo le attuali normative italiane (NTC2008). Caso di studio: facoltà di Fisica a Bologna (A. Righi)

Analisi energetica e studio di fattibilità di un impianto di solar cooling a servizio di un hotel

Il calore del sole diventa energia frigorifera sostenibile economicamente ed energticamente. Gli sviluppi tecnologici degli ultimi anni nel campo dell’energia solare consentono consentono di realizzare quanto apparentemente in contraddizione con i fondamentali teoremi della fisica classica ed in particolare della termodinamica. Questo elaborato vuole analizzare come, se e in quali casi sia conveniente l'installazione di un impianto di solar cooling per la climatizzazione estiva di un edificio. Partendo dal problema, sempre più attuale, dei crescenti consumi di energia elettrica per il condizionamento estivo degli edifici, dalla ricerca bibliografica è emerso come inizi a farsi strada, come soluzione percorribile e logicamente interessante, l’utilizzo dell’energia solare, fruttata in impianti che prendono il nome di impianti di solar cooling.

On the influence of polymeric nanofibers in laminated composite materials. Studio dell'influenza di nanofibre polimeriche in materiali compositi laminati

During the last years an increased interest about the reinforcement of laminated composites by means of polymeric nanofibers has been growth. During this master-degree-thesis work, unidirectional and plane-textile composites have been interleaved with Nylon 6.6, PCL and mixed (Nylon 6.6+PCL) nanofibrous mats and the DCB (mode I interlaminar fracture toughness), ENF (mode II interlaminar fracture toughness and DMA (damping capability) tests have been performed. Regarding the interlaminar fracture toughness, marked increases have been recorded; while further investigation about damping capability is requested.

Analisi comparativa di tecniche di monitoraggio per la rilevazione di perdite in condotte idriche

In molti sistemi di distribuzione idrici una percentuale significativa di acqua viene persa passando dagli impianti di trattamento alle utenze, a causa di danneggiamenti nei diversi componenti delle reti. Le perdite idriche sono un problema costoso, non solo in termini di spreco di una preziosa risorsa naturale, ma anche in termini economici. L’obiettivo principale di questo lavoro è stato quello di identificare possibili sviluppi per le attrezzature e metodi già esistenti al fine di rilevare in modo automatico perdite idriche in condotte in plastica. A questo proposito è stata studiata l’efficacia di metodi basati sull’analisi di vibrazioni e suoni. In particolare ci si è concentrati sull’uso di accelerometri e idrofoni e, successivamente, sull’uso di sensori di emissioni acustiche. Dopo una prima fase di ricerca approfondita sulla dinamica dei fenomeni vibro-acustici che si verificano nelle condotte, sulla teoria delle emissioni acustiche, sulla caratterizzazione di segnali di perdita in condotte in plastica e sulle principali attrezzature usate attualmente per l’individuazione delle perdite, si è passati alla fase sperimentale. La fase sperimentale può essere distinta in due parti. La prima ha avuto come obiettivo il confronto tra segnali acquisiti da accelerometro e idrofono relativamente all’efficacia nell’individuazione di perdite idriche mediante apposito algoritmo ed ha coinvolto numerosi test sul campo, eseguiti sotto condizioni controllate in un impianto di rilevamento perdite sperimentale, appositamente costruito, adiacente alla sede della Divisione Reti R & S di Hera a Forlì. La seconda fase, invece, ha avuto come obiettivo la determinazione dell’efficacia del metodo delle emissioni acustiche per l’individuazione di perdite idriche ed ha visto l’esecuzione di altrettanti test, eseguiti sotto condizioni controllate, in un impianto sperimentale più semplice del precedente.

The behaviour of osteocyte dendritic processes in bone under cyclic load (il comportamento dei processi dendritici degli osteociti nel tessuto osseo sottoposti a carico ciclico)

Bone is continually being removed and replaced through the actions of basic multicellular units (BMU). This constant upkeep is necessary to remove microdamage formed naturally due to fatigue and thus maintain the integrity of the bone. The repair process in bone is targeted, meaning that a BMU travels directly to the site of damage and repairs it. It is still unclear how targeted remodelling is stimulated and directed but it is highly likely that osteocytes play a role. A number of theories have been advanced to explain the microcrack osteocyte interaction but no complete mechanism has been demonstrated. Osteocytes are connected to each other by dendritic processes. The “scissors model" proposed that the rupture of these processes where they cross microcracks signals the degree of damage and the urgency of the necessary repair. In its original form it was proposed that under applied compressive loading, microcrack faces will be pressed together and undergo relative shear movement. If this movement is greater than the width of an osteocyte process, then the process will be cut in a “scissors like" motion, releasing RANKL, a cytokine known to be essential in the formation of osteoclasts from pre-osteoclasts. The main aim of this thesis was to investigate this theoretical model with a specific focus on microscopy and finite element modelling. Previous studies had proved that cyclic stress was necessary for osteocyte process rupture to occur. This was a divergence from the original “scissors model" which had proposed that the cutting of cell material occurred in one single action. The present thesis is the first study to show fatigue failure in cellular processes spanning naturally occurring cracks and it's the first study to estimate the cyclic strain range and relate it to the number of cycles to failure, for any type of cell. Rupture due to shear movement was ruled out as microcrack closing never occurred, as a result of plastic deformation of the bone. Fatigue failure was found to occur due to cyclic tensile stress in the locality of the damage. The strain range necessary for osteocyte process rupture was quantified. It was found that the lower the process strain range the greater the number of cycles to cell process failure. FEM modelling allowed to predict stress in the vicinity of an osteocyte process and to analyse its interaction with the bone surrounding it: simulations revealed evident creep effects in bone during cyclic loading. This thesis confirms and dismisses aspects of the “scissors model". The observations support the model as a viable mechanism of microcrack detection by the osteocyte network, albeit in a slightly modified form where cyclic loading is necessary and the method of rupture is fatigue failure due to cyclic tensile motion. An in depth study was performed focusing on microscopy analysis of naturally occurring cracks in bone and FEM simulation analysis of an osteocyte process spanning a microcrack in bone under cyclic load.

Studio ed ottimizzazione di un veicolo trasporto merci per uso desertico

L'obbiettivo di questa tesi era sviluppare un autocarro ad uso desertico progettato per il trasporto sia di personale che di parti di ricambio per oleodotti. Durante tutte le fasi di progettazione dovevo tenere conto delle specifiche di progetto assegnate quali le dimensioni, lunghezza di 7 metri e larghezza di circa 4, la capacità di carico, 15000 kg, una velocità massima raggiungibile su pista asfaltata di 200 km/h, avere la sezione del telaio inferiore a V per ridurre il rischio di insabbiamenti e per permettere di guadare piccoli corsi d'acqua che potrebbe incontrare durante la missione ed infine avere le ruote sterzanti sia all'asse anteriore sia su quello posteriore.

Definizione e validazione di un modello elettromeccanico per l'ottimizzazione dei servomeccanismi nelle macchine automatiche

In questo lavoro viene mostrato come costruire un modello elettromeccanico per il sistema costituito da motore elettrico-riduttore-trasmissione-carico. Il modello è progettato per essere implementato su software di simulazione. Sono illustrati aspetti relativi ai componenti del sistema, alla dinamica dei meccanismi, a modelli di perdite elettriche nei motori ed alle modalità di costruizione del software di simulazione. Sono infine mostrati i risultati di alcune simulazioni.

Dynamic analysis of the motorcycle chattering behaviour by means of symbolic multibody modelling

Aim of this research is the development and validation of a comprehensive multibody motorcycle model featuring rigid-ring tires, taking into account both slope and roughness of road surfaces. A novel parametrization for the general kinematics of the motorcycle is proposed, using a mixed reference-point and relative-coordinates approach. The resulting description, developed in terms of dependent coordinates, makes it possible to efficiently include rigid-ring kinematics as well as road elevation and slope. The equations of motion for the multibody system are derived symbolically and the constraint equations arising from the dependent-coordinate formulation are handled using a projection technique. Therefore the resulting system of equations can be integrated in time domain using a standard ODE algorithm. The model is validated with respect to maneuvers experimentally measured on the race track, showing consistent results and excellent computational efficiency. More in detail, it is also capable of reproducing the chatter vibration of racing motorcycles. The chatter phenomenon, appearing during high speed cornering maneuvers, consists of a self-excited vertical oscillation of both the front and rear unsprung masses in the range of frequency between 17 and 22 Hz. A critical maneuver is numerically simulated, and a self-excited vibration appears, consistent with the experimentally measured chatter vibration. Finally, the driving mechanism for the self-excitation is highlighted and a physical interpretation is proposed.

Mechanical behavior of flat and curved laminates interleaved by electrospun nanofibers

A major weakness of composite materials is that low-velocity impact, introduced accidentally during manufacture, operation or maintenance of the aircraft, may result in delaminations between the plies. Therefore, the first part of this study is focused on mechanics of curved laminates under impact. For this aim, the effect of preloading on impact response of curved composite laminates is considered. By applying the preload, the stress through the thickness and curvature of the laminates increased. The results showed that all impact parameters are varied significantly. For understanding the contribution rate of preloading and pre-stress on the obtained results another test is designed. The interesting phenomenon is that the preloading can decrease the damaged area when the curvature of the both specimens is the same. Finally the effect of curvature type, concave and convex, is investigated under impact loading. In the second part, a new composition of nanofibrous mats are developed to improve the efficiency of curved laminates under impact loading. Therefore, at first some fracture tests are conducted to consider the effect of Nylon 6,6, PCL, and their mixture on mode I and mode II fracture toughness. For this goal, nanofibers are electrospun and interleaved between mid-plane of laminate composite to conduct mode I and mode II tests. The results shows that efficiency of Nylon 6,6 is better than PCL in mode II, while the effect of PCL on fracture toughness of mode I is more. By mixing these nanofibers the shortage of the individual nanofibers is compensated and so the Nylon 6,6/PCL nanofibers could increased mode I and II fracture toughness. Then all these nanofibers are used between all layers of composite layers to investigate their effect on damaged area. The results showed that PCL could decrease the damaged area about 25% and Nylon 6,6 and mixed nanofibers about 50%.

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.

Analisi strutturale agli elementi finiti di bilanciere di scarico

Approfondita analisi strutturare di un bilanciere di scarico di un motore navale attraverso l'utilizzo di un software che sfrutta il metodo degli elementi finiti.

Bilanci di materia e di energia di un inceneritore di rifiuti speciali:Un caso di studio.

In alcuni paesi in via di sviluppo la forte crescita demografica ha favorito l’insinuarsi di un sistema consumistico, che comporta la generazione di ingenti quantitativi di rifiuti urbani. In tali paesi il problema è aggravato dalla progressiva urbanizzazione, con la conseguente necessità di smaltire i rifiuti solidi urbani nelle immediate vicinanze delle città dove vengono prodotti in gran quantità.Storicamente nei piani di gestione dei rifiuti si è sempre tenuta in considerazione la tutela della salute pubblica e dell’ambiente; negli ultimi anni è cresciuta l’attenzione verso l’utilizzo dei rifiuti come fonte di materie prime o di energia. Ai metodi di smaltimento tradizionali, rappresentati dalle discariche e dagli impianti di incenerimento, si sono progressivamente affiancate tecniche per la valorizzazione dei rifiuti: alcune di queste differenziano i rifiuti in base al materiale di cui sono costituiti per ottenere materie prime (raccolta differenziata), altre invece ricavano energia mediante opportuni trattamenti termici(termovalorizzazione). Se l’incenerimento dei rifiuti è nato con l’obiettivo di ridurne il volume e di distruggere le sostanze pericolose in essi presenti, la termovalorizzazione comprende un secondo obiettivo, che è quello di valorizzare il potere calorifico dei rifiuti, recuperando la potenza termica sviluppata durante la combustione e utilizzandola per produrre vapore, successivamente impiegato per produrre energia elettrica o come vettore termico per il teleriscaldamento. Il presente lavoro di tesi fa seguito ad un tirocinio svolto presso il termovalorizzatore costituito dal forno F3 per rifiuti speciali anche pericolosi della società Herambiente, ubicato in via Baiona a Ravenna. L’impianto utilizza un forno a tamburo rotante, scelto proprio per la sua versatilità nell’incenerire varie tipologie di rifiuti: solidi, liquidi organici e inorganici, fluidi fangosi. Negli ultimi anni si è delineato un aumento della richiesta di incenerimento di liquidi inorganici pericolosi, che sono prodotti di scarto di processi industriali derivanti dagli impianti del polo chimico ravennate. La presenza di un’elevata quantità di liquidi inorganici in ingresso al forno fa calare l’energia disponibile per la combustione e, di conseguenza, porta ad un consumo maggiore di combustibile ausiliario (metano). Si pone un problema di ottimo e cioè, a parità di potenza elettrica prodotta, occorre trovare la portata di rifiuti inorganici da inviare al forno che limiti la portata di metano in ingresso in modo da ottenere un utile netto positivo; ovviamente la soluzione ottimale è influenzata dal prezzo del metano e dalla remunerazione che il gestore riceve per lo smaltimento dei reflui inorganici. L’impostazione del problema di ottimo richiede la soluzione dei bilanci di materia e di energia per il termovalorizzatore. L’obiettivo del lavoro di tesi è stato l’impostazione in un foglio di calcolo dei bilanci di materia e di energia per il tamburo rotante e per la camera statica di post-combustione a valle del tamburo.

Regolazione della pompa elettrica del carburante a bassa pressione: Analisi dell'impatto sul consumo specifico di un motore a combustione interna

The trend of CO2 emission limit and fuel saving due to the oil price increase and are important drivers for engines development. The engine auxiliary devices electrification (g.e fuel pump) is a way to reduce the energy consumption, because it becomes possible to control them depending on engine operation point, this kid of management can be applied to the electric low-pressure pump. Usually the fuel delivery is performed at the maximum flow rate and a pressure regulator discharges the exceeding fuel amount inside the rail (gasoline engine) or upstream of the high pressure pump (common rail diesel engine). In this work it has been investigated the fuel saving achievable through a proper control of the electric fuel pump on a small common rail diesel engine, and a control architecture is proposed. The aim was to maximize the fuel economy without any impact on pressure control in the engine transient conditions. L'andamento del limite di emissioni di CO2 e il risparmio di carburante dovuto all'aumento del prezzo del petrolio sono fattori importanti per lo sviluppo dei motori. I dispositivi ausiliari, come la pompa del carburante, sono un modo per ridurre il consumo energetico, in quanto diventa possibile controllarli a seconda del punto di funzionamento del motore, questo tipo di gestione può essere applicato alla pompa elettrica a bassa pressione. Solitamente la portata del combustibile viene eseguita alla portata massima e un regolatore di pressione si scarica la quantità eccedente di carburante all'interno del rail (motore a benzina) o a monte della pompa a alta pressione (common rail motore diesel). In questo lavoro è stato studiato il risparmio di combustibile ottenibile attraverso un adeguato controllo della pompa elettrica del carburante su un piccolo motore diesel common rail e viene proposta una architettura di controllo. Lo scopo è quello di massimizzare il risparmio di carburante, senza alcun impatto sul controllo della pressione nelle condizioni transitorie del motore.

Evaluation of energy level to be absorbed by tractor ROPS: Actual Tests, Simulation and Computation

A highly dangerous situations for tractor driver is the lateral rollover in operating conditions. Several accidents, involving tractor rollover, have indeed been encountered, requiring the design of a robust Roll-Over Protective Structure (ROPS). The aim of the thesis was to evaluate tractor behaviour in the rollover phase so as to calculate the energy absorbed by the ROPS to ensure driver safety. A Mathematical Model representing the behaviour of a generic tractor during a lateral rollover, with the possibility of modifying the geometry, the inertia of the tractor and the environmental boundary conditions, is proposed. The purpose is to define a method allowing the prediction of the elasto-plastic behaviour of the subsequent impacts occurring in the rollover phase. A tyre impact model capable of analysing the influence of the wheels on the energy to be absorbed by the ROPS has been also developed. Different tractor design parameters affecting the rollover behaviour, such as mass and dimensions, have been considered. This permitted the evaluation of their influence on the amount of energy to be absorbed by the ROPS. The mathematical model was designed and calibrated with respect to the results of actual lateral upset tests carried out on a narrow-track tractor. The dynamic behaviour of the tractor and the energy absorbed by the ROPS, obtained from the actual tests, showed to match the results of the model developed. The proposed approach represents a valuable tool in understanding the dynamics (kinetic energy) and kinematics (position, velocity, angular velocity, etc.) of the tractor in the phases of lateral rollover and the factors mainly affecting the event. The prediction of the amount of energy to be absorbed in some cases of accident is possible with good accuracy. It can then help in designing protective structures or active security devices.