Computational fluid dynamics (CFD) based approach to consequence assessment of accidental release of hydrocarbon during storage and transportation

This thesis investigated the risk of accidental release of hydrocarbons during transportation and storage. Transportation of hydrocarbons from an offshore platform to processing units through subsea pipelines involves risk of release due to pipeline leakage resulting from corrosion, plastic deformation caused by seabed shakedown or damaged by contact with drifting iceberg. The environmental impacts of hydrocarbon dispersion can be severe. Overall safety and economic concerns of pipeline leakage at subsea environment are immense. A large leak can be detected by employing conventional technology such as, radar, intelligent pigging or chemical tracer but in a remote location like subsea or arctic, a small chronic leak may be undetected for a period of time. In case of storage, an accidental release of hydrocarbon from the storage tank could lead pool fire; further it could escalate to domino effects. This chain of accidents may lead to extremely severe consequences. Analyzing past accident scenarios it is observed that more than half of the industrial domino accidents involved fire as a primary event, and some other factors for instance, wind speed and direction, fuel type and engulfment of the compound. In this thesis, a computational fluid dynamics (CFD) approach is taken to model the subsea pipeline leak and the pool fire from a storage tank. A commercial software package ANSYS FLUENT Workbench 15 is used to model the subsea pipeline leakage. The CFD simulation results of four different types of fluids showed that the static pressure and pressure gradient along the axial length of the pipeline have a sharp signature variation near the leak orifice at steady state condition. Transient simulation is performed to obtain the acoustic signature of the pipe near leak orifice. The power spectral density (PSD) of acoustic signal is strong near the leak orifice and it dissipates as the distance and orientation from the leak orifice increase. The high-pressure fluid flow generates more noise than the low-pressure fluid flow. In order to model the pool fire from the storage tank, ANSYS CFX Workbench 14 is used. The CFD results show that the wind speed has significant contribution on the behavior of pool fire and its domino effects. The radiation contours are also obtained from CFD post processing, which can be applied for risk analysis. The outcome of this study will be helpful for better understanding of the domino effects of pool fire in complex geometrical settings of process industries. The attempt to reduce and prevent risks is discussed based on the results obtained from the numerical simulations of the numerical models.

Experimental and RANS-CFD Study of Nacelle Drag

The drag on a nacelle model was investigated experimentally and computationally to provide guidance and insight into the capabilities of RANS-based CFD. The research goal was to determine whether industry constrained CFD could participate in the aerodynamic design of nacelle bodies. Grid refinement level, turbulence model and near wall treatment settings, to predict drag to the highest accuracy, were key deliverables. Cold flow low-speed wind tunnel experiments were conducted at a Reynolds number of 6∙〖10〗^5, 293 K and a Mach number of 0.1. Total drag force was measured by a six-component force balance. Detailed wake analysis, using a seven-hole pressure probe traverse, allowed for drag decomposition via the far-field method. Drag decomposition was performed through a range of angles of attack between 0o and 45o. Both methods agreed on total drag within their respective uncertainties. Reversed flow at the measurement plane and saturation of the load cell caused discrepancies at high angles of attack. A parallel CFD study was conducted using commercial software, ICEM 15.0 and FLUENT 15.0. Simulating a similar nacelle geometry operating under inlet boundary conditions obtained through wind tunnel characterization allowed for direct comparisons with experiment. It was determined that the Realizable k-ϵ was best suited for drag prediction of this geometry. This model predicted the axial momentum loss and secondary flow in the wake, as well as the integrated surface forces, within experimental error up to 20o angle of attack. SST k-ω required additional surface grid resolution on the nacelle suction side, resulting in 15% more elements, due to separation point prediction sensitivity. It was further recommended to apply enhanced wall treatment to more accurately capture the viscous drag and separated flow structures. Overall, total drag was predicted within 5% at 0o angle of attack and 10% at 20o, each within experimental uncertainty. What is more, the form and induced drag predicted by CFD and measured by the wake traverse shared good agreement. Which indicated CFD captured the key flow features accurately despite simplification of the nacelle interior geometry.

Ottimizzazione della reazione di Fenton mediante l’utilizzo di un sistema automatico di reazione

The research presented in this dissertation is aimed to the automation of the Fenton process. The Fenton reaction is finalized to the waste water pre-treatment in order to promote the abatement of the organic contaminants and make it more degradable. Reagents adopted are constituted by a mixture of iron ions and hydrogen peroxide and their effect is strictly influenced by several variables, such as: the reagents molar ratio and their quantities counterpoised to the substrate, temperature, pH, agitation, etc. Therefore, the optimization is far from being considered an easy procedure. The research was carried out using a batch configuration, through which the optimal [Fe2+]/[H2O2] and [substrate]/[H2O2] ratios were identified. Then, in order to improve the process, a semibatch configuration was performed. The preliminary results show that is possible to obtain a greater abatement efficiency for high organic burden using the semibatch configuration here proposed.

Fluid dynamic analysis of trees influence in dispersion of pollutant in urban street canyon

degli elementi vegetali nella dinamica e nella dispersione degli inquinanti nello street canyon urbano. In particolare, è stato analizzata la risposta fluidodinamica di cespugli con altezze diverse e di alberi con porosità e altezza del tronco varianti. Il modello analizzato consiste in due edifici di altezza e larghezza pari ad H e lunghezza di 10H, tra i quali corre una strada in cui sono stati modellizati una sorgente rappresentativa del traffico veicolare e, ai lati, due linee di componenti vegetali. Le simulazioni sono state fatte con ANSYS Fluent, un software di "Computational Fluid Dynamics"(CFD) che ha permesso di modellizare la dinamica dei flussi e di simulare le concentrazioni emesse dalla sorgente di CO posta lungo la strada. Per la simulazione è stato impiegato un modello RANS a chiusura k-epsilon, che permette di parametrizzare i momenti secondi nell'equazione di Navier Stokes per permettere una loro più facile risoluzione. I risultati sono stati espressi in termini di profili di velocità e concentrazione molare di CO, unitamente al calcolo della exchange velocity per quantificare gli scambi tra lo street canyon e l'esterno. Per quanto riguarda l'influenza dell'altezza dei tronchi è stata riscontrata una tendenza non lineare tra di essi e la exchange velocity. Analizzando invece la altezza dei cespugli è stato visto che all'aumentare della loro altezza esiste una relazione univoca con l'abbassamento della exchange velocity. Infine, andando a variare la permeabilità delle chiome degli alberi è stata trovatta una variazione non monotonica che correla la exchange velocity con il parametro C_2, che è stata interpretata attraverso i diversi andamenti dei profili sopravento e sottovento. In conclusione, allo stadio attuale della ricerca presentata in questa tesi, non è ancora possibile correlare direttamente la exchange velocity con alcun parametro analizzato.

Creazione e validazione del modello fluidodinamico di un ventilatore centrifugo e possibili ottimizzazioni.

La seguente tesi nasce dall’esigenza di ottimizzare, da un punto di vista acustico e prestazionale, un ventilatore centrifugo preesistente in azienda. Nei primi tre capitoli si è analizzato il problema da un punto di vista teorico, mentre nel terzo e quarto capitolo da un punto di vista computazionale sfruttando tecniche CFD. Nel primo capitolo è stata fatta una trattazione generale dei ventilatori centrifughi, concentrandosi sul tipo di problematiche a cui questi vanno incontro. Nel secondo capitolo è stata presentata la teoria che sta alla base di una rilevazione sperimentale e di un’analisi acustica. Unitamente a ciò sono stati riportati alcuni articoli che mostrano tecniche di ottimizzazione acustica in ventilatori centrifughi. Nel terzo capitolo è stata riassunta la teoria alla base della fluidodinamica e di uno studio fluidodinamico. Nel quarto capitolo viene spiegato come è stato creato il modello fluidodinamico. Si è optato per un’analisi del problema in stato stazionario, sfruttando il Moving Reference Frame, e considerando l’aria come incomprimibile, visto il ridotto numero di Mach. L’analisi acustica è stata effettuata nel post-processing sfruttando il modello di Proudman. Infine è stata dimostrata la correlazione che intercorre tra i tre punti della curva resistente del ventilatore di funzionamento reale, permettendo di estendere i risultati ricavati dalla analisi di uno di questi agli altri due. Nel quinto capitolo è stata effettuata un’analisi dei risultati ottenuti dalle simulazioni fluidodinamiche e sono state proposte diverse modifiche della geometria. La modifica scelta ha visto un miglioramento delle prestazioni e una minore rumorosità. Infine sono state proposte nelle conclusioni ulteriori possibili strade da percorre per un’indagine e ottimizzazione del ventilatore più accurata.

Validazione di una metodologia per la simulazione della cavitazione in iniettori per applicazioni automobilistiche

Al giorno d’oggi, il primo obiettivo dell’industria automotive è quello di ridurre il consumo di carburante e migliorare la qualità del processo di combustione, al fine di soddisfare i limiti di emissioni imposti, senza penalizzare le performance dei motori. In questo scenario, il comportamento dinamico dello spray gioca un ruolo cruciale, ed è risaputo che esso dipenda anche dal processo di cavitazione all’interno di ogni singolo foro iniettore. L’appropriata predizione dello sviluppo di tale fenomeno è fondamentale per comprendere e controllare le caratteristiche delle spray nei canali iniettori e consentire una più accurata progettazione degli iniettori. In questo meccanismo, le simulazioni CFD ricoprono un ruolo di grande importanza, a causa delle dimensioni ridotte caratteristiche dei fori iniettori. Questi infatti non risultano spesso adatti ad un’analisi sperimentale dettagliata e precisa, e nel caso lo fossero, la valutazione è limitata a pochi casi, essendo le attività sperimentali complesse ed onerose. L’analisi computazionale presenta quindi vantaggi come una sostanziale riduzione del tempo e dei costi impiegati, non richiedendo infatti la costruzione e l’utilizzo di impianti appositi o prototipi. Lo scopo principale di questo progetto consiste nella validazione di un codice CFD capace di modellare la cavitazione, al fine di applicarlo successivamente ad un iniettore reale. Tale modello è stato validato tramite confronto con dati sperimentali su un flusso cavitante attraverso un ugello ideale. Tra tutti i software commerciali disponibili, è stato scelto CONVERGE poiché innovativo nella generazione automatica della griglia e dettagliato nell’analisi chimica, permettendo di gestire geometrie di motori molto complesse. È stato quindi ritenuto appropriato valutare la validità di tale codice nella modellazione della cavitazione, poiché potrebbe dimostrarsi rilevante nello studio futuro dei motori a combustione interna.

Determinazione di tabelle e correlazioni di velocità laminare di fiamma per motori a combustione interna

Negli ultimi anni le preoccupazioni a causa dell’inquinamento ambientale sono risultate sempre maggiori, questo ha portato un sempre più crescente interesse per l’ottimizzazione nella progettazione dei motori a combustione interna per avere un aumento di potenza cercando di utilizzare meno carburante. Sempre più di frequente, al fine di studiare la combustione in modo accurato e ricavarne modelli analitici coerenti con la realtà, ci si rivolge alla simulazione numerica; Tutti i modelli di combustione utilizzati dai solutori CFD richiedono la conoscenza della velocità laminare di fiamma, questa gioca un ruolo molto importante nei motori a combustione interna così come in altre applicazioni, come il calcolo dei moti turbolenti. Il calcolo della velocità laminare può avvenire attraverso modelli di cinetica chimica dettagliata a fronte di un peso computazionale non indifferente oppure utilizzando meccanismi cinetici ridotti con conseguente perdita di accuratezza. L’obiettivo di questa tesi è lo studio della velocità di fiamma laminare al variare delle principali caratteristiche della miscela focalizzandosi sull’effetto di pressione, temperatura e di eventuali inerti (Acqua ed Egr). Attraverso la cinetica chimica dettagliata e relativo calcolo delle velocità delle reazioni di ossidazione sono state definite delle “look up tables” il più possibile dettagliate (nonostante il grande peso computazionale) al fine di avere uno strumento facilmente implementabile in solutori CFD. Inoltre, a partire dai dati acquisiti, si è passati all’analisi delle precedenti correlazioni cercando, nei limiti, di migliorarne e proporne altre per non dover ricorrere all’interpolazione delle mappe.

Il glicerol carbonato come reagente innovativo per la derivatizzazione di composti fenolici

Supportato da una crescente consapevolezza ambientale, il glicerolo carbonato ha guadagnato molto interesse negli ultimi 20 anni grazie alla sua versatile reattività e alla possibilità di valorizzare il glicerolo co-prodotto nella sintesi di biodiesel. Sono stati identificati numerosi percorsi di sintesi per questa molecola, alcuni dei quali molto promettenti e sul punto di essere applicati su scala industriale. Qui, riportiamo uno studio volto a valorizzare il glicerol carbonato come intermedio chimico, in particolare come agente alchilante innovativo del fenolo al fine di sintetizzare aril gliceril eteri. Queste molecole trovano importanti applicazioni come intermedi chiave per la sintesi di un'ampia classe di farmaci e agenti terapeutici. Abbiamo effettuato la reazione in massa senza l’impiego di solventi, con una miscela di glicerolo carbonato e fenolo, in presenza di un catalizzatore basico (omogeneo o eterogeneo). È interessante notare come, nelle condizioni ottimizzate, sia stato possibile ottenere un'alta conversione dei reagenti, unita ad una elevata resa e selettività negli aril gliceril eteri voluti, già dopo poche ore di reazione. Inoltre, è stato proposto un approccio multi-step per la sintesi selettiva di difenil gliceril eteri.

Sintesi del metil metacrilato mediante reazione tra metil propionato e metanolo in fase vapore

Il metil metacrilato (MMA) è un importante intermedio chimico principalmente utilizzato come monomero per la sintesi del poli metil metacrilato (PMMA). Il processo più moderno e sostenibile per la sintesi di MMA è il processo Alpha, che consiste nell'idrossi-metilazione del metil propionato (MP) con formaldeide (FAL) seguita dalla disidratazione dell’intermedio ottenuto. Il MP, attualmente prodotto tramite carbonilazione dell’etilene in presenza di metanolo (MeOH), può essere sintetizzato anche da glicerolo (coprodotto dalla produzione del biodiesel), un’economica molecola piattaforma di origine rinnovabile. Il principale svantaggio del processo Alpha consiste nell’utilizzo di FAL pura, notoriamente cancerogena. Questo inconveniente può essere superato promuovendo la formazione di FAL mediante deidrogenazione in-situ del MeOH, nello stesso reattore in cui avviene la reazione tra MP e FAL. Per questo motivo, la sintesi di MMA a partire da MP e MeOH è stata studiata in un reattore in continuo operante in fase vapore, investigando inizialmente due ossidi metallici come catalizzatori eterogenei: ossido di magnesio (MgO) e ossido di gallio (Ga2O3). Quest’ultimo è risultato molto più selettivo grazie alla moderata basicità ed al forte potere redox in grado di favorire la deidrogenazione del MeOH, tuttavia ha mostrato problemi di disattivazione. Nel tentativo di modulare le caratteristiche acido-base e redox dei catalizzatori, sono stati sintetizzati due ossidi misti con rapporto atomico Mg/Ga uguale a 10 e 20. L’introduzione di Ga3+ nella struttura aumenta l’attività catalitica per la deidrogenazione di MeOH e riduce la basicità totale rendendo il catalizzatore meno attivo per le reazioni parassite di chetonizzazione e riduzione tramite meccanismo di H-transfer. L’influenza dei principali parametri operativi (T, rapporto MeOH/MP, time factor) sul decorso della reazione è stato investigato approfonditamente ed è stato possibile proporre un complesso schema di reazione.

Studio preliminare della reazione di racemizzazione fotochimica di alchilidenossindoli

Argomento di questa tesi è lo studio della reazione di racemizzazione fotochimica di alcuni alchilidenossindoli. Si è tentato di sfruttare l’interazione tra i substrati studiati e la luce in campo sintetico come ad esempio la risoluzione cinetica dinamica. Si è trovata l’evidenza sperimentale che i substrati studiati racemizzano se esposti a radiazione UV-Vis. I risultati ottenuti dai test effettuati per capire il meccanismo che porta alla racemizzazone hanno evidenziato che l’intermedio di reazione non è un enolo.

Elettroriduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale: studio dei parametri di reazione

I processi di riduzione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) sono generalmente condotti mediante processi che utilizzano calore e alte pressioni di H2. Una via alternativa prevede l’applicazione di processi elettrochimici, i quali richiedono condizioni più blande e non necessitano di H2. Il lavoro di tesi qui presentato si concentra sullo studio della elettoriduzione del 5-idrossimetilfurfurale a 2,5-bis(idrossimetil)furano, tramite l’utilizzo di catalizzatori basati su schiume 3D a cella aperta di Cu, sopra le quali viene depositato Ag tramite elettrodeposizione. La caratterizzazione elettrochimica è stata condotta tramite voltammetrie a scansione lineare fatte in tampone borato 0,5M e in HMF, seguite da cronoamperometrie (CA) e cronopotenziometrie (CP); inoltre sono stati valutati l’effetto dei parametri di reazione, quali concentrazione iniziale di reagente, potenziale applicato e densità di corrente applicata sulla conversione, selettività ed efficienza faradica. Le prove effettuate a due diverse concentrazioni di HMF (0,02M e 0,05M), con potenziale di -1,3V vs SCE, mostrano che all’aumentare della concentrazione di reagente si ha un calo della selettività in BHMF. Mantenendo la concentrazione a 0,05M e variando il potenziale applicato, si è osservato un aumento importante della selettività in BHMF a potenziali meno catodici e un calo della conversione a potenziali più catodici; la prova a -1,25V vs SCE fornisce i migliori risultati, tuttavia il tempo di reazione a questo potenziale è molto elevato, portando ad un netto calo della produttività. All’aumentare della densità di corrente si osserva un aumento della selettività in BHMF e una riduzione della conversione, mentre la FE è stabile.

Sintesi per microemulsione di materiali fotocatalitici ed elettrocatalitici basati su nanoparticelle di ossido di titanio

Il catalizzatore studiato per questa reazione è principalmente l’ossido di titanio (TiO2) per la sua disponibilità. Le modifiche principali riguardano l’inserimento nella struttura della TiO2 di altri elementi, principalmente N, e la deposizione di particelle di metalli nobili come co-catalizzatori. In questo elaborato vengono studiate una serie di sintesi per via microemulsione (ME). L’introduzione di una base (NaOH o NH4OH) è stata utilizzata per produrre delle modifiche nella morfologia dei catalizzatori. Alcuni parametri operativi delle sintesi, quali: tempo di agitazione del precursore, agente neutralizzante e trattamenti a riflusso sono stati studiati. Ottimizzando le sintesi in ME è stato possibile ottenere polveri di TiO2 con densità inferiore al campione di riferimento prodotto per ME, con valori inferiori a 1 g/mL. Le dimensioni delle particelle sono state osservate e risultano anch’esse inferiori, solitamente sotto 10 nm. L’area superficiale delle polveri è di solito superiore a 100 m2/g. Ulteriori modifiche introdotte riguardano la presenza di N nella struttura della TiO2, che ha permesso un miglioramento nell’assorbimento di luce nello spettro visibile. Inoltre, sfruttando la versatilità delle ME è stato possibile mettere a punto delle sintesi che permettono la precipitazione di specie di Ag sotto forma di nanoparticelle, della dimensione di 1 nm. I catalizzatori sono poi stati testati in fotocatalisi eterogenea, usando condizioni pressione atmosferica, temperatura di 30°C e utilizzando come solvente acqua. L’attività catalitica dei campioni è risultata promettente e si pensa che ulteriori studi di ottimizzazione dei parametri delle sintesi possano portare a successivi miglioramenti. I catalizzatori prodotti per neutralizzazione hanno mostrato una maggiore reattività e tra questi, quello trattato con NaOH, per effetto sinergico della densità e delle dimensioni dei cristalliti, ha esibito un’attività superiore agli altri.

Sviluppo di metodologie di simulazione avanzate per la progettazione fluidodinamica di condotti di motori endotermici alternativi

L’attuale panorama motoristico, fortemente guidato dalle normative, prevede l’implementazione di diverse tecnologie che hanno lo scopo di migliorare l’efficienza del motore e ridurre le emissioni di inquinanti e per le quali risulta necessario una corretta progettazione dei condotti di aspirazione. Lo sviluppo ottimale dei condotti risulta un compromesso tra obiettivi contrastanti e in termini matematici si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo. Le simulazioni CFD e gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo allo studio di questi problemi, ma la combinazione di questi elementi risulta notevolmente dispendiosa in termini di tempo, in quanto sarebbero necessarie un alto numero di simulazioni. Per ridurre i tempi di calcolo, un set di simulazioni CFD pu`o essere pi`u convenientemente utilizzato per istruire una rete neurale, che una volta opportunamente istruita pu`o essere usata per prevedere gli output delle simulazioni in funzione dei parametri di progetto durante l’ottimizzazione con l’algoritmo genetico, operando quella che viene chiamata una ottimizzazione virtuale. In questa tesi, viene mostrata una metodologia numerica per l’ottimizzazione multi-obiettivo dei condotti di aspirazione, basata su un modello CAD a geometria variabile, le simulazioni fluidodinamiche tridimensionali e una rete neurale combinata con un algoritmo genetico.

Caratterizzazione mediante flussaggio stazionario CFD di condotti di motori a combustione interna 'SACI'

In questo lavoro di tesi si è voluta creare una metodologia solida per la generazione di geome-trie banchi di flussaggio stazionario, sia per Tumble che per Swirl, a varie alzate valvole (in questo caso solo aspirazione, ma estendibile anche a quelle di scarico), avvalendosi del soft-ware SALOME; seguite da creazione griglia di calcolo e infine simulazione in ambiente Open-FOAM. Per prima cosa si è importata la geometria creata in un CAD esterno e importata in SALOME in formato STEP. A seguito si sono posizionate le valvole all’alzata da simulare, insieme alla creazione del falso cilindro, diversificato tra il caso Tumble e Swirl. Si è importato il file del banco di flussaggio, in formato STL, in snappyHexMesh e generata la griglia; questa è stata utilizzata per la simulazione in ambiente OpenFOAM, utilizzando l’utility rhoPorousSimpleFoam. Infine, si sono estratti i dati per il calcolo di grandezze utili, coppia di Tumble/Swirl e portata in massa, oltre alla creazione di immagini di visualizzazione campi di moto, utilizzando il post processore ParaView. In parallelo si è sviluppata l’automatizzazione delle varie fasi servendosi sia di script scritti in python che in bash.

Studio dell’effetto di stabilizzanti polimerici su catalizzatori di oro nanostrutturati

Negli ultimi anni ha riscosso particolare interesse l’utilizzo di nanoparticelle metalliche nella catalisi per via delle loro eccellenti proprietà. Le limitazioni al loro utilizzo sono connesse alla complessità della loro sintesi a causa dei molteplici parametri che possono influenzare le proprietà e la morfologia del sistema finale. Recenti studi hanno permesso di individuare la possibilità che polimeri con opportune caratteristiche possano influenzare sia la morfologia che l’attività catalitica dei catalizzatori nanostruturati. Queste ricerche hanno aperto alla possibilità di controllare le proprietà delle nanoparticelle attraverso la sintesi di macromolecole con specifiche caratteristiche. Nel corso dell’attività di tirocinio si è studiato come il peso molecolare e la natura dello stabilizzante polimerico influenzino le dimensioni e l’attività delle nanoparticelle d’oro in termini di conversione ed accessibilità dei siti attivi del catalizzatore attraverso la reazione di riduzione del 4-nitrofenolo. Si sono confrontati risultati ottenuti da nanoparticelle sintetizzate utilizzando come stabilizzante campioni a differente peso molecolare di poli-etilenglilcole, poli-vinilammina e poli-vinilalcol.