Testing of subgrid scale (SGS) models for large-eddy simulation (LES) of turbulent channel flow

Sub-grid scale (SGS) models are required in order to model the influence of the unresolved small scales on the resolved scales in large-eddy simulations (LES), the flow at the smallest scales of turbulence. In the following work two SGS models are presented and deeply analyzed in terms of accuracy through several LESs with different spatial resolutions, i.e. grid spacings. The first part of this thesis focuses on the basic theory of turbulence, the governing equations of fluid dynamics and their adaptation to LES. Furthermore, two important SGS models are presented: one is the Dynamic eddy-viscosity model (DEVM), developed by \cite{germano1991dynamic}, while the other is the Explicit Algebraic SGS model (EASSM), by \cite{marstorp2009explicit}. In addition, some details about the implementation of the EASSM in a Pseudo-Spectral Navier-Stokes code \cite{chevalier2007simson} are presented. The performance of the two aforementioned models will be investigated in the following chapters, by means of LES of a channel flow, with friction Reynolds numbers $Re_\tau=590$ up to $Re_\tau=5200$, with relatively coarse resolutions. Data from each simulation will be compared to baseline DNS data. Results have shown that, in contrast to the DEVM, the EASSM has promising potentials for flow predictions at high friction Reynolds numbers: the higher the friction Reynolds number is the better the EASSM will behave and the worse the performances of the DEVM will be. The better performance of the EASSM is contributed to the ability to capture flow anisotropy at the small scales through a correct formulation for the SGS stresses. Moreover, a considerable reduction in the required computational resources can be achieved using the EASSM compared to DEVM. Therefore, the EASSM combines accuracy and computational efficiency, implying that it has a clear potential for industrial CFD usage.

Modellazione avanzata di un incendio in uno stabilimento industriale secondo i principi della fire safety engineering

Lo sviluppo di un incendio all’interno di depositi di liquidi infiammabili costituisce uno scenario particolarmente critico a causa della rilevanza delle conseguenze che ne possono scaturire. L’incendio causato dalla formazione di grandi pozze sviluppatesi a seguito di forature dei contenitori e il rapido coinvolgimento di tutto lo stoccaggio rappresentano uno scenario di incendio tipico di queste realtà. Si ha quindi la necessità di adottare provvedimenti atti a garantire specifici obiettivi di sicurezza tramite l’introduzione di misure antincendio. La prevenzione incendi, sino al 2007, era basata esclusivamente su norme di tipo prescrittivo, in base alle quali si definivano le misure di sicurezza secondo un criterio qualitativo. Successivamente l’ingegneria antincendio si è sempre più caratterizzata da approcci basati su analisi di tipo prestazionale, in grado di dimostrare il raggiungimento dell’obiettivo di sicurezza sulla base del comportamento reale d’incendio ottenuto mediante un’accurata simulazione del fuoco che ragionevolmente può prodursi nell'attività. La modellazione degli incendi è divenuta possibile grazie allo sviluppo di codici di fluidodinamica computazionale (CFD), in grado di descrivere accuratamente l’evoluzione delle fiamme. Il presente studio si inserisce proprio nell’ambito della modellazione CFD degli incendi, eseguita mediante il software Fire Dynamics Simulator (FDS). L’obiettivo dell’elaborato è studiare l’azione dell’impianto di spegnimento a schiuma sullo sviluppo di un incendio di pozza in un deposito di liquidi infiammabili, in termini di riduzione della potenza termica rilasciata dal fuoco, al fine di determinare le temperature massime raggiunte, in corrispondenza delle quali valutare il comportamento di resistenza strutturale degli edifici. Il presente lavoro è articolato in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, vengono richiamati nel Capitolo 2 i principali concetti della chimica e fisica degli incendi. Nel Capitolo 3 vengono esaminate le normative intese ad unificare l’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio. Il Capitolo 4 fornisce una dettagliata descrizione del software di calcolo, FDS - Fire Dynamics Simulator, adoperato per la modellazione dell’incendio. Nel Capitolo 5 si procede alla progettazione prestazionale che conduce alla determinazione della curva naturale d'incendio in presenza degli impianti di spegnimento automatici. Infine nel Capitolo 6 si riportano le considerazioni conclusive.

Oli extra vergini di oliva prodotti da varieta autoctone dell'areale di Brisighella: Profilo sensoriale e relazioni con la frazione fenolica

Il progetto sperimentale è stato focalizzato alla valutazione qualitativa di oli extra vergini di oliva monovarietali (Nostrana di Brisighella, Ghiacciola, Don Carlo), prodotti da olive coltivate nell’areale Brisighellese analizzandoli sia per alcuni parametri chimici che per alcune caratteristiche sensoriali rilevabili in fase gustativa (attributi di amaro e piccante). Per ogni campione sono stati valutati i parametri di qualità stabiliti dal Reg. CEE n. 2568/91 e successive modifiche: acidità libera, numero di perossidi, estinzioni specifiche nell’ultravioletto, composizione in acidi grassi ed analisi sensoriale secondo il metodo del “Panel test”. Gli oli sono stati anche sottoposti alla caratterizzazione della frazione biofenolica mediante estrazione secondo metodo COI (COI/T.20/Doc. n.29) seguita da separazione cromatografica HPLC ed identificazione guidata sia da rivelatore a fotodiodi (DAD) che da spettrometro di massa (MSD). I dati ottenuti sono stati elaborati con l’ausilio di tecniche di analisi multivariata (PCA) valutando sia le correlazioni esistenti tra le variabili, che la possibilità di discriminare i campioni in gruppi omogenei per caratteristiche chimiche e/o sensoriali. Più specificatamente, si è rivolta l'attenzione alle relazioni esistenti tra la concentrazione in singole molecole a struttura fenolica e l'intensità degli attributi sensoriali positivi, amaro e piccante. In ultima analisi, si è proceduto a determinare il contenuto totale in derivati fenolici dell’idrossitirosolo e tirosolo (semplici e complessi) presenti in 20 g di olio per verificare la conformità al claim salutistico approvato dall'EFSA nel 2011 “i polifenoli dell’olio di oliva contribuiscono alla protezione dei lipidi ematici dallo stress ossidativo”, che è possibile inserire in etichetta qualora il prodotto soddisfi il limite richiesto dal Reg. UE 432/2012.

Implementazione di una metodologia basata sulla chimica cinetica estesa tabulata per la simulazione dell'insorgenza e dell'evoluzione della detonazione nei motori ad accensione comandata

L'analisi accurata del processo di combustione è un aspetto sempre più influente nello sviluppo di un motore a combustione interna. In particolare il fenomeno della detonazione pone dei limiti sull'efficienza dei motori ad accensione comandata. Il rapporto di compressione è limitato in fase di progettazione dello sviluppo motore, lasciando al controllo dell'anticipo di accensione il compito di ridurre le problematiche di una combustione anomala. Nella seguente tesi si vuole implementare una metodologia per la valutazione dell'insorgere e dello sviluppo della detonazione in base alle condizioni di funzionamento del motore per differenti miscele di combustibili. Il metodo consiste nell'affiancare la cinetica chimica tabulata al risolutore CFD, \textsc{KIVA-3}. La cinetica chimica permette di determinare la velocità di reazione per differenti specie durante l'ossidazione a partire da precise condizioni ambiente. Il solutore CFD potrebbe risolvere questo tipo di problema ma utilizzare dei modelli con più reazioni chimiche richiede dei tempi di simulazioni troppo elevati. La cinetica chimica tabulata consiste nella determinazione ed estrapolazione dei dati relativi all'evoluzione della detonazione utilizzando schemi cinetici con centinaia o migliaia di reazioni. In seguito alla determinazione della miscela desiderata sono state eseguite delle simulazioni utilizzando il solutore Cantera per la determinazione dell'evoluzione dell'ossigeno. E' stata scelta questa grandezza come indicatore del progresso della detonazione poiché fornisce un'indicazione sullo stato di avanzamento delle reazioni. Successivamente i dati ricavati sono stati forniti al solutore CFD, tramite il quale sono state effettuate delle simulazioni per verificare i risultati ottenuti nella valutazione del comportamento di un motore ad alte prestazioni.

Energie rinnovabili e tecnologie "low carbon" per la produzione di biocombustibili sostenibili in paesi in via di sviluppo: il caso della Jatropha Curcas. Progetto per l'autonomia energetica di una scuola e di un ambulatorio medico in Tanzania e Madagascar.

Le tematiche che saranno affrontate all’interno del mio elaborato toccano diversi temi sensibili, tutti relativi all’ambiente e alla sua conservazione. Nella prima parte della tesi parlerò di riscaldamento globale, cambiamento climatico ma soprattutto di energie rinnovabili, in particolare l’energia da biomasse. Nella parte centrale la lente di ingrandimento verrà posta sui diversi tipi di energia e sulle relative tecnologie. Mi concentrerò prevalentemente sugli oli vegetali a scopo energetico descrivendo le principali colture e le tecnologie di estrazione. Proseguirò quindi con un excursus sulla Jatropha Curcas descrivendo in dettaglio le caratteristiche di tale coltura in termini di arboricoltura e utilizzi energetici. L’ultima parte dell’elaborato sarà dedicata all’esposizione di due casi applicativi riguardanti la Jatropha Curcas, in particolare il dimensionamento energetico di una scuola e di un ambulatorio medico in Tanzania e Madagascar.

Mitigazione dell'isola di calore attraverso i tetti verdi: il caso di studio di Via Terracini a Bologna

Con il termine “tetti verdi” si intendono vere e proprie coperture vegetate, che fungono da valida alterativa alle tipologie convenzionali a coppi oppure in guaina impermeabilizzante. Per quanto questi possano essere considerati una soluzione moderna relativa alle diverse Best Management Practices (BMP), in realtà sono stati realizzati e sfruttati fin dall'antichità. Dagli anni Settanta ad oggi hanno preso sempre più piede in Europa e negli altri continenti a causa dei molteplici benefici che li accompagnano a livello ambientale. All'interno di questo studio ci si pone l‟obiettivo di valutarne i vantaggi, principalmente a livello energetico ed idraulico, riscontrati in letteratura, direttamente sul campo, grazie al sito di studio presso la sede di Ingegneria di via Terracini, Bologna. Sulle coperture del LAGIRN (Laboratorio di Geoingegneria e Risorse Naturali), infatti, nell‟estate 2013 sono stati realizzati due tetti verdi (uno a Sedum, che sarà indicato con la sigla GR, e uno con piante autoctone, identificato con la sigla NA). Tramite il confronto tra le temperature registrate grazie a diversi tipi di strumentazione, è stato possibile quantificare i comportamenti delle coperture su scala annuale, non solo l‟una rispetto l‟altra, ma anche in rapporto a una porzione di tetto lasciata a guaina bituminosa (indicato con la sigla RR). Considerando il ruolo della vegetazione come strumento per la mitigazione del fenomeno d‟isola di calore urbana, infine, con l‟ausilio del software CFD denominato ENVI-met si è modellata l‟intera area del Lazzaretto e si sono simulati tre diversi scenari: 1) Lo stato attuale 2) Una situazione ipotetica con tutte coperture a Sedum 3) Una situazione ipotetica con tutte coperture con specie autoctone per la giornata estiva più calda e per un comune giorno di Ottobre, a seguito di una minuziosa calibrazione. Il confronto tra la situazione reale e quelle supposte dimostra la validità dei green roofs nella lotta al riscaldamento delle grandi città.

Analisi geochimica delle acque iperacide del lago craterico del vulcano Kawah Ijen (Java, Indonesia).

I laghi vulcanici sono corpi idrici che si posizionano all’interno di crateri originatisi da eruzioni idrotermali, idrovulcaniche o magmatiche. Dato il particolare ambiente di formazione di questi bacini, le condizioni fisico-chimiche delle loro acque riflettono l’influenza dei diversi “input” vulcanici quali gas e fluidi che risultano dall’interazione tra le acque sotterranee e i fluidi rilasciati da un corpo magmatico in profondità. Il presente lavoro consiste nella caratterizzazione geochimica delle acque del lago craterico del Kawah Ijen e nella definizione dei principali processi che la controllano, come i processi di diluizione, degassamento e precipitazione di fasi minerali. Tale definizione è la base conoscitiva necessaria per una più realistica interpretazione delle eventuali variazioni geochimiche spazio-temporali

Studio di Flow-Assurance e sensitivity analysis in sistemi di distribuzione di petrolio e gas naturale

Argomento del lavoro è stato lo studio di problemi legati alla Flow-Asurance. In particolare, si focalizza su due aspetti: i) una valutazione comparativa delle diverse equazioni di stato implementate nel simulatore multifase OLGA, per valutare quella che porta a risultati più conservativi; ii) l’analisi della formazione di idrati, all’interno di sistemi caratterizzati dalla presenza di gas ed acqua. Il primo argomento di studio nasce dal fatto che per garantire continuità del flusso è necessario conoscere il comportamento volumetrico del fluido all’interno delle pipelines. Per effettuare tali studi, la Flow-Assurance si basa sulle Equazioni di Stato cubiche. In particolare, sono state confrontate: -L’equazione di Soave-Redlich-Kwong; -L’equazione di Peng-Robinson; -L’equazione di Peng-Robinson modificata da Peneloux. Sono stati analizzati 4 fluidi idrocarburici (2 multifase, un olio e un gas) con diverse composizioni e diverse condizioni di fase. Le variabili considerate sono state pressione, temperatura, densità e viscosità; sono state poi valutate le perdite di carico, parametro fondamentale nello studio del trasporto di un fluido, valutando che l'equazione di Peng-Robinson è quella più adatta per caratterizzare termodinamicamente il fluido durante una fase di design, in quanto fornisce l'andamento più conservativo. Dopo aver accertato la presenza di idrati nei fluidi multifase, l’obiettivo del lavoro è stato analizzare come il sistema rispondesse all’aggiunta di inibitori chimici per uscire dalla regione termodinamica di stabilità dell’idrato. Gli inibitori utilizzati sono stati metanolo e mono-etilen-glicole in soluzione acquosa. L’analisi è stata effettuata confrontando due metodi: -Metodo analitico di Hammerschmidt; -Metodo iterativo con PVTSim. I risultati ottenuti hanno dimostrato che entrambi gli inibitori utilizzati risolvono il problema della formazione di idrato spostando la curva di stabilità al di fuori delle pressioni e temperature che si incontrano nella pipeline. Valutando le quantità da iniettare, il metodo di Hammerschmidt risulta quello più conservativo, indicando portate maggiori rispetto al PVTsim, soprattutto aggiungendo metanolo.

Simulazione dinamica swirl in motore diesel

Simulazione CFD di un condotto di aspirazione di un motore Diesel.

Studio e ottimizzazione di una stufa a pellet a basso costo

Studio e ottimizzazione di una stufa a pellet a basso costo con CFD.

Progettazione di un impianto orc per il recupero energetico da fumi

Il crescente fabbisogno energetico mondiale, dovuto essenzialmente al rapido incremento di popolazione originatosi nel secolo scorso, unitamente alla necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica, porta a ricercare continuamente nuove fonti primarie di energia nonché metodi innovativi per il recupero di quest’ultima da materiali di scarto. I Cicli Rankine a fluido Organico (Organic Rankine Cycle) rappresentano in questo senso una tecnologia emergente capace di rivoluzionare il concetto di risparmio energetico. In questa tesi viene effettuato uno studio dettagliato della tecnologia ORC, che mira ad identificarne i principali vantaggi e le maggiori problematiche, con particolare riferimento ad un caso di studio concreto, riguardante l’installazione di un impianto di recupero energetico da fumi di combustione all’interno di uno stabilimento di produzione di nero di carbonio. Il cuore della tesi è rappresentato dall’individuazione e dall’analisi dettagliata delle alternative impiantistiche con cui il recupero energetico può essere realizzato. Per ognuna di esse, dopo una breve spiegazione, viene effettuato il calcolo dell’energia elettrica prodotta annualmente con l’ausilio un simulatore di processo. Successivamente vengono esposte le proposte ricevute dai fornitori interpellati per la fase di progettazione di base dell’impianto di recupero energetico. Nell’ultima parte della tesi viene presentata la simulazione fluidodinamica del camino di una delle linee di produzione dell’impianto di Ravenna, effettuata utilizzando un codice CFD e mirata alla verifica dell’effettiva quantità di calore recuperato dai fumi e dell’eventuale presenza di condense lungo la ciminiera. I risultati ottenuti mostrano che la tecnologia ORC, utilizzata per il recupero energetico in ambito industriale, possiede delle grosse potenzialità. La massimizzazione dei vantaggi derivanti dall’utilizzo di questi sistemi è tuttavia fortemente condizionata dalla capacità di gestire al meglio l’integrazione degli impianti di recupero all’interno dei processi produttivi esistenti.

Valutazione funzionale ed economica di una innovativa macchina utensile in alluminio

L’oggetto di studio della presente tesi è una macchina utensile ad altra produttività con tavola rotante (transfer) che presenta numerosi elementi di innovazione rispetto a versioni precedenti. In particolare è stata ottimizzata la scelta dei materiali che compongono i vari elementi della struttura, sono stati ripensati gli impianti di servizio e, infine, è stato reso possibile l’impiego di tecnologie di lavorazione che permettono una notevole riduzione del consumo elettrico. Il transfer è costituito da una stazione di carico/scarico e da numerose stazioni di lavoro equipaggiate con moduli a tre assi che permettono di eseguire le diverse operazioni da realizzare sul componente in lavorazione. Le unità a tre assi vengono impiegate per movimentare gli elettromandrini che mettendo in rotazione gli utensili permettono l’esecuzione delle diverse lavorazioni. L’attività svolta è stata suddivisa in diverse fasi: nella prima è stata realizzata un’analisi funzionale che ha permesso di valutare (i) la rigidezza dell’unità a tre assi che equipaggia ogni stazione di lavoro e (ii) l’errore di posizionamento indotto dal riscaldamento delle viti di manovra che permettono la movimentazione dei tre assi della macchina. Nella seconda fase sono state valutate le potenzialità della tecnologia Minimum Quantity Lubrication (MQL) come alternativa ecologica ed economica alla tradizionale tecnica di lubrorefrigerazione con emulsione. La tecnica MQL consiste nel nebulizzare nella zona di taglio un aerosol composto da aria e olio. In particolare è stato calibrato il sistema di generazione dell’aerosol stesso ed è stata indagata l’influenza dei diversi parametri di taglio sulla qualità della lavorazione. Infine è stata effettuata un’analisi economica che ha permesso di valutare il vantaggio economico in termini di potenza installata e consumo di energia elettrica del transfer in relazione ad una macchina utensile di pari taglia che presenta le soluzioni costruttive standard per questa tipologia di dispositivo.

Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Sviluppo dell'interfaccia per il caricamento della geometria iniziale del propellente solido di un modello balistico

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione balistica di razzi a propellente solido, è volto alla creazione di un’interfaccia che permetta il caricamento delle geometrie dei motori desiderati, in formato SPP, nel codice di simulazione balistica ROBOOST come richiesto da Avio Spa. In particolare saranno descritte le procedure attraverso le quali tale interfaccia è stata realizzata e verranno analizzati i passaggi mediante i quali è possibile ottenere una mesh 3D del motore a propellente solido partendo dalla sua geometria in formato SPP. Si analizzerà inoltre il processo di chiusura di una mesh estratta da una qualsiasi iterazione della simulazione al fine di potervi effettuare delle simulazioni CFD sempre su richiesta della sopracitata azienda. Infine verranno mostrati e discussi i risultati ottenuti per meglio visualizzare il lavoro svolto.

Pirolisi catalitica di microalghe con zeoliti

L’aumento delle concentrazioni del diossido di carbonio in atmosfera dovuto alla combustione dei combustibili fossili è una fonte di grande preoccupazione a causa del suo impatto sul clima globale. La biomassa è l’unica fonte rinnovabile a poter essere convertita in combustibili e, tra i metodi di conversione, la pirolisi produce un liquido (bio-olio) che presenta potenzialità come combustibile. Le alghe sono una biomassa di interesse, ma il bio-olio che si ottiene è caratterizzato da composti contenenti ossigeno, zolfo e azoto che ne riducono la qualità. Tali elementi possono essere eliminati attraverso la scissione (cracking) con zeoliti con la produzione di idrocarburi. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare le caratteristiche del cracking catalitico di tre microalghe: Arthrospira platensis, Botryococcus braunii e Desmodesmus communis per la produzione di idrocarburi. Le biomasse sono state pirolizzate a 500 °C e i vapori prodotti termicamente sono stati fatti passare nella zeolite dove subiscono il cracking. Sono state utilizzate due zeolite a diversa acidità: un pellet H-ZSM5 (SiO2/Al2O3=38) e un monolite a base di HZSM5 (SiO2/Al2O3=80) e sepiolite. Dal cracking si ottengono sei frazioni pirolitiche: char, coke, fase acquosa, bio-olio, frazione volatile e gas non condensabili. Le frazioni sono state caratterizzate tramite analisi elementari e molecolari e dai dati ottenuti sono stati calcolati i bilanci di N, C e del potere calorifico. Per tutte le alghe si ottiene un bio-olio con un elevato contenuto di carbonio e fortemente deossigenato, ma le rese sono relativamente basse. I prodotti che contengono una maggior frazione del carbonio della biomassa iniziale sono il char ed il coke, seguiti dalla fase organica e dai gas. La distribuzione dell’azoto è simile ma con una maggiore frazione nella fase acquosa. Entrambi i catalizzatori agiscono migliorando la qualità del bio-olio tramite la riduzione dei composti azotati ed ossigenati e formando idrocarburi monoaromatici, tipici delle benzine, e poliaromatici. Il monolite, con zeolite meno acida, produce una maggior frazione di bio-olio caratterizzato, però, da una minor percentuale di composti aromatici. Si ritiene che l’aumento delle rese del bio-olio e la valorizzazione dei sottoprodotti (biochar, fase acquosa) siano indispensabili per la sostenibilità del processo.