Investigation of novel methodologies for the MCNP geometry preparation: application on the Upper Launcher BSM of ITER

La tesi si divide in due macroargomenti relativi alla preparazione della geometria per modelli MCNP. Il primo è quello degli errori geometrici che vengono generati quando avviene una conversione da formato CAD a CSG e le loro relazioni con il fenomeno delle lost particles. Il passaggio a CSG tramite software è infatti inevitabile per la costruzione di modelli complessi come quelli che vengono usati per rappresentare i componenti di ITER e può generare zone della geometria che non vengono definite in modo corretto. Tali aree causano la perdita di particelle durante la simulazione Monte Carlo, andando ad intaccare l' integrità statistica della soluzione del trasporto. Per questo motivo è molto importante ridurre questo tipo di errori il più possibile, ed in quest'ottica il lavoro svolto è stato quello di trovare metodi standardizzati per identificare tali errori ed infine stimarne le dimensioni. Se la prima parte della tesi è incentrata sui problemi derivanti dalla modellazione CSG, la seconda invece suggerisce un alternativa ad essa, che è l'uso di Mesh non Strutturate (UM), un approccio che sta alla base di CFD e FEM, ma che risulta innovativo nell'ambito di codici Monte Carlo. In particolare le UM sono state applicate ad una porzione dell' Upper Launcher (un componente di ITER) in modo da validare tale metodologia su modelli nucleari di alta complessità. L'approccio CSG tradizionale e quello con UM sono state confrontati in termini di risorse computazionali richieste, velocità, precisione e accuratezza sia a livello di risultati globali che locali. Da ciò emerge che, nonostante esistano ancora alcuni limiti all'applicazione per le UM dovuti in parte anche alla sua novità, vari vantaggi possono essere attribuiti a questo tipo di approccio, tra cui un workflow più lineare, maggiore accuratezza nei risultati locali, e soprattutto la possibilità futura di usare la stessa mesh per diversi tipi di analisi (come quelle termiche o strutturali).

Studio della riflessione ondosa di mezzi porosi a confronto tramite analisi di laboratorio.

La riflessione ondosa è uno degli effetti idrodinamici che scaturiscono dall'interazione tra la massa d'acqua libera in movimento e la struttura in cui si imbatte, sia essa in un lago, mare od oceano. Studiare un fenomeno aleatorio e dissipativo come questo in maniera solo analitica, non è sufficiente a raggiungere il grado di precisione che ad oggi si richiede alle opere ingegneristiche, pertanto, una buona prassi sperimentale prevede che la teoria venga integrata e sostenuta da test di laboratorio che, grazie alla condizioni al contorno note e controllate, consentono di circoscrivere il problema reale dando modo all'analisi matematica di interpretarlo correttamente, per poi essere in grado di prevenirlo in maniera efficace. Il presente elaborato nasce dal tema attuale dell' "emergenza plastica" nei mari, e lo applica al problema pratico ingegneristico di assorbimento dell'energia ondosa, ovverosia la necessità di ridurre l'altezza d'onda in corrispondenza di bacini portuali, con lo scopo di prevenire la sovrapposizione di onde riflesse più volte dai corpi immersi a distanza ravvicinata, eventualità che, nell'immediato, renderebbe gli attracchi e in genere le operazioni portuali difficilmente praticabili, e, come sarà descritto in maniera più esaustiva nel terzo capitolo, nel lungo termine potrebbe provocare gravi fenomeni di instabilità alle strutture coinvolte. I test di generazione e analisi di riflessione ondosa oggetto di questo studio, sono stati eseguiti nel laboratorio di Ingegneria Idraulica LIDR del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali, DICAM, dell'Università Alma Mater Studiorum di Bologna, utilizzando il canale a sviluppo longitudinale, il quale, grazie alle sue caratteristiche fisico-geometriche, consente di studiare il moto dei fluidi trascurando l'attrito, e, nel caso specifico delle onde, di applicare al moto ondoso le ipotesi di linearità, presentate nel secondo capitolo.

Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono proprietà funzionali e di resistenza sempre più performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali però sono caratterizzati da criticità relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all’inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonché alla difficoltà nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio è stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicità, umidità e densità per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui proprietà sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicità, umidità e densità, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito è stato direzionato all’ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, è stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonché le proprietà termiche e meccaniche già valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Sistema di accumulo ad alta densità per un prototipo di MotoStudent Electric

L’obiettivo di questo documento è illustrare quali siano stati i metodi di studio, le soluzioni adottate ed i risultati ottenuti durante la progettazione del sistema di accumulo per il prototipo di motocicletta da corsa elettrica “Alpha Leonis”, con cui la squadra corse dell’Università di Bologna UniBo Motorsport ha partecipato alla V edizione del campionato mondiale studentesco MotoStudent. Inizialmente verrà descritto il contesto della competizione e verranno analizzati i vincoli regolamentari che influiscono sulla realizzazione del componente in oggetto. In seguito verrà mostrata la vera e propria fase di progettazione nella quale, dopo aver effettuato prove di caratterizzazione sulla singola cella, sono stati realizzati gli elementi strutturali ed i sistemi di controllo e monitoraggio. La parola d’ordine in questa fase è “motorsport”, che raccoglie in sé la volontà di creare un componente tecnologicamente all’avanguardia che, oltre a garantire l’autonomia necessaria, ottimizzi il laptime e porti il prototipo in testa alla classifica. È questo il motivo per cui il sistema di accumulo descritto nella seguente trattazione viene definito come “ad alta densità”, ossia con target di energia e potenza per unità di massa superiori alle alternative commerciali attualmente disponibili sul mercato. Infine, per verificare la qualità e l’efficacia del lavoro svolto, verranno descritti i test sul banco a rulli ed in pista che hanno dimostrato il corretto funzionamento del componente e che sono stati sfruttati per completare l’ottimizzazione del sistema di controllo in vista dell’evento finale ad Aragòn Motorland.

La teoria classica dei campi

In questa tesi verrà analizzata la dinamica dei sistemi conservativi a infiniti gradi di libertà, descritti dai campi. Verrà utilizzato l'approccio della meccanica lagrangiana, in cui, partendo da un principio, il principio di minima azione, si arriverà alla scrittura delle equazioni del moto, dette equazioni di Eulero-Lagrange, governate da una funzione, detta Lagrangiana. Successivamente si descriverà il formalismo hamiltoniano, in cui le equazioni di Eulero-Lagrange verranno riscritte in nuove coordinate, e interverrà una nuova funzione, detta Hamiltoniana. Verrà inoltre affrontato un altro argomento, in cui si vedranno quantità del sistema che si conservano nel tempo. Questa legge di conservazione, descritta dal Teorema di Noether, è dovuta a simmetrie della Lagrangiana, ovvero a trasformazioni continue delle coordinate del sistema che lasciano la Lagrangiana invariata. Ad ogni simmetria della Lagrangiana corrisponde una quantità conservata. Infine, per concludere, verrà applicato il metodo lagrangiano al sistema descritto dal campo elettromagnetico, e da qui si vedrà che le equazioni di Eulero-Lagrange diventeranno le note equazioni di Maxwell.

Valutazione dell’adenina come indurente da fonte rinnovabile per resine epossidiche commerciali e per la produzione di materiali compositi

Le resine più utilizzate industrialmente per la produzione di materiali compositi sono quelle epossidiche a base di diglicidil etere del bisfenolo A. Tipicamente, a livello industriale vengono utilizzate diammine sintetizzate da precursori tossici per l’ambiente e per l’uomo. Prendendo atto dell’intrinseca pericolosità di questi sistemi, sono state valutate delle alternative per rendere il processo di produzione dei materiali compositi più sostenibile e sensibile verso l’ambiente e la salute degli operatori. Questo progetto di tesi di laurea sperimentale è il proseguimento di un lavoro precedentemente svolto dal gruppo di ricerca che ha individuato l’adenina come un’alternativa non tossica e bio-based agli attuali agenti reticolanti. Nel presente lavoro di tesi, sono stati effettuati studi di formulazione e reticolazione dell’adenina con resine epossidiche commerciali da infusione e da impregnazione già utilizzate a livello industriale. L’obbiettivò è stato quello di ottenere formulati di resina e adenina capaci di dare un prodotto completamente reticolato, utilizzabile commercialmente e con elevati valori di Tg. Le formulazioni più promettenti così ottenute per ogni tipo di resina sono state utilizzate insieme a fibre di carbonio (vergini e riciclate), fibre di lino e di juta per la produzione di materiali compositi a fibra corta. Le formulazioni di resina e i compositi ottenuti sono stati caratterizzati mediante Analisi Termogravimetrica (TGA), Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) e Analisi Dinamico Meccanica (DMA).

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi

Modellazione e analisi numerica di cisterne per trasporto di liquidi pericolosi, con riferimento alle normative vigenti, ed alla situazione esistente in termini di progettazione e realizzazione.

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

Valutazione della applicazione del ciclo Miller a motori a benzina ad iniezione diretta ad alta potenza specifica

Negli ultimi decenni nuove e sempre più restrittive normative antiinquinamento son state introdotte nei paesi maggiormente industrializzati dettando un aumento degli sforzi progettuali imposti all’industria automobilistica per cercare di contenere l’impatto ambientale esercitato dai motori a combustione interna. E’ evidente quindi l’importanza di possedere una profonda conoscenza dei fenomeni fisici e chimici che influenzano i processi di combustione così come avere a disposizione modelli quanto più accurati per la loro corretta rappresentazione tramite CFD. Per i motori ad accensione comandata gli studi si sono focalizzati sulla ricerca dell’efficienza evitando di incorrere in rischi di detonazione. Numerose sono le tecnologie che permettono di assolvere alle funzioni richieste, tra le più affermate vi sono i sistemi a fasatura variabile, in particolare le strategie che prendono il nome di ciclo Miller. Tale sistema, implementabile facilmente senza l’utilizzo di alcun sistema aggiuntivo, permette di ridurre sensibilmente temperature e pressioni in camera. Il seguente lavoro di tesi studierà, attraverso simulazione numerica tridimensionale condotta con software CONVERGE®, gli aspetti fisici e fluidodinamici indotti dalle diverse strategie REF, EIVC e LIVC applicate ad un motore GDI con tecnologia downsizing e turbocharging (modellato in ambiente CAD, tramite PTC CREO®). Successivamente, allo stesso motore, saranno apportate modifiche progettuali con lo scopo di comprendere in che modo un aumento di un punto del rapporto di compressione, che equivale a spostarsi verso zone a prestazioni più elevate, impatti sull’entità di pressione, temperatura e comportamento fluidodinamico e fisico a pari condizioni operative e di alzata. L’analisi ed il confronto con gli altri casi sancirà se questa nuova configurazione possa essere accettabile o rischiosa ai fini della detonazione.

Modellazione numerica del sistema di distribuzione idrica di Cesena

Nel presente elaborato di tesi si esporranno le fasi di costruzione ed i risultati del modello idraulico del sistema di distribuzione idrica della città di Cesena, comprendente tutta l’area cittadina e la zona di pianura a nord-ovest adiacente. Il caso di studio è stato reso disponibile dal gestore del Servizio idrico integrato nel territorio Hera S.p.A. Il modello numerico è stato implementato utilizzando il programma Infoworks® WS di HR Wallingford per la progettazione e gestione delle reti idriche. La realizzazione di un modello idraulico richiede la conoscenza topologica della rete e del suo funzionamento, nonché informazioni sul consumo idrico, fondamentali per la determinazione della domanda idrica. Essa comprende il consumo idropotabile delle utenze e la perdita idrica. Per le elaborazioni sono stati utilizzati i programmi open source QGis e RStudio. La variabilità del consumo è stata rappresentata attraverso una curva costruita sulla base del bilancio idrico della rete, mentre quella della perdita attraverso un pattern basato sul metodo del Minimum Night Flow. Compiuta la prima simulazione su un periodo di 7 giorni e ottenuti i primi risultati, si sono rese necessarie delle operazioni di calibrazione eseguite confrontando i dati risultanti dal modello con quelli misurati sul campo. Uno dei vantaggi di un modello numerico è quello di poter indagare le grandezze idrauliche in ogni punto della rete. È stato, infatti, possibile creare vere e proprie mappe tematiche che illustrano la variazione delle grandezze di interesse al variare dello spazio e del tempo. Un altro vantaggio è quello di poter prevedere il comportamento della rete in seguito a delle modifiche. Si è potuto, infatti, applicare lo strumento modellistico ad un’ipotesi di distrettualizzazione del sistema.

Analisi dinamica e verifica di un prototipo di macchina automatica per la realizzazione di batterie

Lo scopo di questa tesi è quello di verificare il corretto dimensionamento dei cuscinetti e delle guide lineari di un gruppo all’interno di una macchina automatica brevettata e realizzata da Manz Srl, azienda in collaborazione con la quale è stato svolto il progetto. La macchina automatica in esame è parte di una linea di produzione di batterie rettangolari a partire da nastri di materia prima e impiega l’innovativo processo di wound stacking. Per eseguire la verifica dei componenti è stato necessario effettuare una simulazione dinamica con il software MSC Adams, grazie al quale si sono potute calcolare le reazioni vincolari. In parallelo al modello Adams, è stato realizzato anche un modello MATLAB, con cui poter confrontare i risultati del software multibody per validarli. Stabiliti i periodi previsti di manutenzione della linea e un coefficiente di sicurezza richiesto, si sono individuati i componenti che non rispettavano le specifiche dei progettisti. Alla fine della tesi si propongono anche delle soluzioni per la sostituzione di alcuni componenti.

L'indice di resilienza per la valutazione delle prestazioni di una rete di distribuzione idrica

Nel seguente lavoro di tesi, l’analisi dell’efficienza idraulica è stata condotta sulla base dei tradizionali parametri di simulazione di una rete idrica, come carichi idraulici ai nodi e portate erogate, ma sfruttando l’ausilio di un indice di performance di rete sintetico e globale, ovvero l’Indice di resilienza, introdotto da Todini (2000; 2016). Infatti, tale indice, rientrando tra i parametri con cui valutare lo stato complessivo di “benessere idraulico” di una rete, ha il vantaggio di poter fungere da criterio di selezione di eventuali interventi migliorativi da operare sulla rete stessa. L’analisi si è concentrata sull’utilizzo dell’Indice di resilienza come strumento per la misura delle prestazioni di una rete di distribuzione idrica semplificata, utilizzata come caso studio: per far ciò, si sono messi a confronto i risultati relativi a diversi scenari, ottenuti simulando la rottura in successione delle tubazioni della rete, oppure ipotizzando incrementi di richiesta idrica ai nodi. In generale, i risultati delle simulazioni idrauliche, effettuate con l’ausilio combinato dei software di calcolo EPANET 2.2 e Matlab, hanno mostrato che la resilienza può essere utilizzata per quantificare la robustezza di una rete idrica, presentando forti correlazioni con le pressioni ai nodi. Durante il corso di queste analisi, si è anche voluto mostrare lo sviluppo analitico subito nel tempo dalla formula dell’Indice di resilienza, della quale in principio era stata proposta una formulazione pensata per l’approccio Demand Driven, poi estesa all’approccio di modellazione Pressure Driven. L’intento finale dell’elaborato è stato quello di capire tramite quali mezzi poter migliorare la resilienza del sistema in esame: è emerso che la soluzione ottimale è quella di sfruttare gli effetti benefici derivanti dall’azione combinata della sostituzione dei diametri e del risparmio idrico derivante dalla riduzione delle perdite idriche e degli sprechi nei consumi idropotabili.

Modellazione del trattamento a fanghi attivi del depuratore Ponte Metauro di Fano ed indicazioni gestionali per la riduzione dei consumi di energia.

Lo scopo del presente studio è quello di modellare il processo di trattamento delle acque reflue dell’impianto a fanghi attivi Ponte Metauro di Fano. In particolare, si è posta l’attenzione sulle fasi di trattamento secondario, agendo sui parametri che regolano tali processi e simulando il funzionamento ottimale dell’impianto attraverso il programma di modellazione STOAT. Oltre a modellare l’impianto, è stato anche fatto uno studio per cercare di risparmiare i consumi di energia e reagenti. La prima fase quindi è stata incentrata sulla modellazione dell’impianto, soprattutto per i trattamenti secondari, con varie simulazioni per poi arrivare ad avere una rappresentazione corretta del fenomeno che avviene nella realtà. La seconda fase invece è stata incentrata sulla ricerca di un possibile risparmio energetico per ottimizzare i consumi di energia e reagenti all’interno delle vasche.

Analysis of the Mediterranean tropical-like cyclone Numa from a numerical model simulation

I Medicane sono rari cicloni che si sviluppano sul Mar Mediterraneo e presentano caratteristiche dei cicloni tropicali, come la forma a spirale delle bande di nubi, un occhio privo di venti e nubi, venti intensi nella banda che circonda l’occhio e la presenza di un nucleo caldo. Nel presente lavoro, è stata compiuta un’analisi del Medicane Numa, verificatosi nel novembre del 2017, utilizzando gli output della simulazione del modello RAMS-ISAC. L’obiettivo di questa tesi è l’identificazione e la descrizione delle caratteristiche tropicali di Numa, focalizzandosi sulla descrizione dei diversi stadi di sviluppo del ciclone. Il sistema di bassa pressione è stato identificato utilizzando la pressione sul livello del mare, mentre l’anomalia termica e il vento orizzontale hanno permesso una descrizione della struttura del Medicane e del suo nucleo caldo. Un’illustrazione della struttura a spirale delle bande di nubi e dell’occhio è stata ottenuta con il grafico dei rapporti di mescolanza delle idrometeore di nubi e pioggia. Questi parametri hanno consentito di ricavare il diametro dell’occhio, pari a 75 km, mentre il diametro del Medicane è risultato 230 km. Numa ha registrato una velocità massima del vento in superficie di 20 m/s nella banda adiacente all’occhio del ciclone. Il diagramma di Hart dello spazio delle fasi del ciclone ha confermato la natura simil-tropicale di Numa e ne ha descritto l’evoluzione, identificando la transizione da sistema a caratteri tropicali a sistema ibrido. La traiettoria nello spazio delle fasi ha consentito l’identificazione delle sottofasi dell’evoluzione di Numa, confermate dai grafici dell’evoluzione temporale dei parametri menzionati in precedenza. L’analisi ha mostrato il ruolo cruciale della presenza di una struttura organizzata nel determinare l’intensità e la durata delle caratteristiche tropicali. Tutti i parametri hanno evidenziato la simmetria della struttura durante la persistente fase matura di Numa.

Sperimentazione di Deep Metric Loss per Self-Supervised Information Retrieval Systems su CORD19.

Dopo lo sviluppo dei primi casi di Covid-19 in Cina nell’autunno del 2019, ad inizio 2020 l’intero pianeta è precipitato in una pandemia globale che ha stravolto le nostre vite con conseguenze che non si vivevano dall’influenza spagnola. La grandissima quantità di paper scientifici in continua pubblicazione sul coronavirus e virus ad esso affini ha portato alla creazione di un unico dataset dinamico chiamato CORD19 e distribuito gratuitamente. Poter reperire informazioni utili in questa mole di dati ha ulteriormente acceso i riflettori sugli information retrieval systems, capaci di recuperare in maniera rapida ed efficace informazioni preziose rispetto a una domanda dell'utente detta query. Di particolare rilievo è stata la TREC-COVID Challenge, competizione per lo sviluppo di un sistema di IR addestrato e testato sul dataset CORD19. Il problema principale è dato dal fatto che la grande mole di documenti è totalmente non etichettata e risulta dunque impossibile addestrare modelli di reti neurali direttamente su di essi. Per aggirare il problema abbiamo messo a punto nuove soluzioni self-supervised, a cui abbiamo applicato lo stato dell'arte del deep metric learning e dell'NLP. Il deep metric learning, che sta avendo un enorme successo soprattuto nella computer vision, addestra il modello ad "avvicinare" tra loro immagini simili e "allontanare" immagini differenti. Dato che sia le immagini che il testo vengono rappresentati attraverso vettori di numeri reali (embeddings) si possano utilizzare le stesse tecniche per "avvicinare" tra loro elementi testuali pertinenti (e.g. una query e un paragrafo) e "allontanare" elementi non pertinenti. Abbiamo dunque addestrato un modello SciBERT con varie loss, che ad oggi rappresentano lo stato dell'arte del deep metric learning, in maniera completamente self-supervised direttamente e unicamente sul dataset CORD19, valutandolo poi sul set formale TREC-COVID attraverso un sistema di IR e ottenendo risultati interessanti.