Analisi del comportamento di serbatoi di gas naturale liquefatto per applicazioni di propulsione navale in scenari di incendio

Il presente lavoro di tesi vuole focalizzare l’attenzione sull’impiego del GNL per la propulsione navale, analizzando aspetti legati alla sicurezza delle infrastrutture necessarie a tale scopo. Si sono considerati due diversi casi di studio: il primo riguarda un deposito costiero attrezzato per poter svolgere attività di rifornimento per imbarcazioni, mentre il secondo caso interessa una nave da trasporto passeggeri alimentata a GNL. È stata condotta un’analisi del rischio: l’identificazione dei pericoli ha seguito le linee guida proposte dalla metodologia MIMAH, oltre a sfruttare risultati di analisi HAZOP e HAZID. La stima delle frequenze di rilascio è stata effettuata con la tecnica della parts count, sulla base di valori ottenuti da database affidabilistici. La valutazione delle conseguenze è stata realizzata con il supporto del software DNV PHAST, utilizzando come riferimento i valori soglia proposti dal D.M. 9/5/2001. È stata infine impostata una modellazione fluidodinamica con lo scopo di valutare la possibilità di rottura catastrofica dei serbatoi di stoccaggio dovuta ad un’eccessiva pressurizzazione causata da una situazione di incendio esterno. Le simulazioni sono state condotte con il supporto del software CFD ANSYS® FLUENT® 17.2. Si è modellata una situazione di completo avvolgimento dalle fiamme considerando due geometrie di serbatoio diverse, nel caso di materiale isolante integro o danneggiato. I risultati ottenuti dall’analisi del rischio mostrano come i danni derivanti da un ipotetico scenario incidentale possano avere conseguenze anche significative, ma con valori di frequenze di accadimento tipici di situazioni rare. Lo studio fluidodinamico del comportamento di serbatoi di stoccaggio avvolti dalle fiamme ha evidenziato come questi siano capaci di resistere a condizioni gravose di incendio per tempi prolungati senza che si abbia una pressurizzazione tale da destare preoccupazione per l’integrità strutturale delle apparecchiature.

Modellistica di accensione per candele ad arco elettrico in motori a combustione interna alternativi

Nel panorama mondiale di contenimento delle emissioni inquinanti in atmosfera é divenuto sempre più importante limitare la parte derivante dai motori a combustione interna: l'utilizzo di motori GDI a carica stratificata e di ricircolo dei gas di scarico (EGR) sono esempi di tecnologie pensate proprio in tale ottica. Sia la presenza di un ambiente magro che di EGR nel cilindro, come anche l'aumento della pressione nel cilindro per l'incremento della pressione di sovralimentazione o del rapporto di compressione, hanno lo svantaggio di limitare la velocità di combustione e rendere più sfavorevoli le condizioni di accensione della miscela; in questo scenario diviene di fondamentale importanza il miglioramento dei sistemi di accensione, la creazione di modelli volti a simularli e la comprensione dei fenomeni che ne stanno alla base. Il seguente lavoro di tesi si inserisce proprio in questo contesto, indagando le varie fasi di cui si compone il fenomeno dell'accensione e le relazioni che legano le variabili di interesse fisico, verificate sulla base di evidenze sperimentali. Successivamente vengono analizzati i principali modelli d'accensione che sono stati proposti e implementati in codici computazionali fluidodinamici; l'analisi mette in luce le differenze, i punti di forza e le semplificazioni introdotte in ognuno di essi, in modo da poterli valutare criticamente. La suddetta analisi é anche utile per introdurre il modello frutto del lavoro del gruppo di ricerca dell'Università di Bologna; ci si concentra particolarmente su quest'ultimo poiché un obiettivo di questo lavoro di tesi é stato proprio l'implementazione e l'utilizzo del modello in un codice fluidodinamico tridimensionale quale CONVERGE CFD. L'implementazione é stata poi validata attraverso simulazioni su una geometria reale di un motore a combustione interna ad elevate prestazioni, confrontando i risultati ottenuti con il nuovo modello rispetto ai dati sperimentali sulla combustione.

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.

Implementazione e validazione di un modello di accensione per motori a combustione interna

Nell'ambito dei motori ad accensione comandata, la comprensione del processo di accensione e delle prime fasi di sviluppo del kernel è di primaria importanza per lo studio dell'intero processo di combustione, dal momento che questi determinano lo sviluppo successivo del fronte di fiamma. Dal punto di vista fisico, l'accensione coinvolge un vasto numero di fenomeni di natura molto complessa, come processi di ionizzazione e passaggio di corrente nei gas: molti di questi avvengono con tempi caratteristici che ne impediscono la simulazione tramite le attuali tecniche CFD. Si rende pertanto necessario sviluppare modelli semplificati che possano descrivere correttamente il fenomeno, a fronte di tempi di calcolo brevi. In quest'ottica, il presente lavoro di tesi punta a fornire una descrizione accurata degli aspetti fisici dell'accensione, cercando di metterne in evidenza gli aspetti principali e le criticità. A questa prima parte di carattere prettamente teorico, segue la presentazione del modello di accensione sviluppato presso il DIN dell'Università di Bologna dal Prof. Bianche e dall'Ing. Falfari e la relativa implementazione tramite il nuovo codice CONVERGE CFD: la validazione è infine condotta riproducendo un caso test ben noto il letteratura, che mostrerà un buon accordo tra valori numerici e sperimentali a conferma della validità del modello.

Functional relationship of colorectal cancer-associated glycans with malignant phenotype and transcriptome changes

Glycosyltransferases ST6GAL1 and B4GALNT2 (and their cognate antigens Sia6LacNAc and Sda, respectively) are associated with colorectal cancer (CRC) but it is not fully clear their biological and clinical significance. We explored the clinical relevance of both glycosyltransferases by interrogating The Cancer Genome Atlas (TCGA) database while the phenotypic/transcriptomic effects of ST6GAL1/B4GALNT2 overexpression were studied in genetically modified CRC cell lines. Transcriptomic data from CRC patients in TCGA database suggested a moderate impact of ST6GAL1 on CRC progression, although it was not possible to define a clear role for this glycosyltransferase. Transcriptomic analysis of ST6GAL1-transduced cell lines revealed a much deeper effect of ST6GAL1 on gene expression in SW948 than in SW48. The overexpression of ST6GAL1 induced opposite effects on soft agar growth and wound healing in both cell lines. These results indicate that the impact of a cancer-associated glycosyltransferase change on phenotype/transcriptome can be extremely variable, depending on the molecular context of the tumor cell. On the contrary, transcriptomic analysis of B4GALNT2-modified cell lines together with TCGA database survey demonstrated a strong impact of B4GALNT2 on the transcriptional activity of CRC cells, in particular its association with a better prognosis. We suggest an anti-tumoral role of B4GALNT2 in CRC. We also investigated the glycan changes related to ST6GAL1/B4GALNT2 expression in a small cohort of tissues/plasma as well as the N-glycomic profile of CRC, normal and polyp tissues. We found an increase of ST6GAL1 activity in CRC and inflammatory bowel disease plasma samples comparing with plasma from healthy donors. A different Sda protein carrier pattern was observed between healthy donors and CRC plasma samples. β-arrestin 1 is a possible candidate as Sda carrier protein in plasma samples although future validation studies are needed. The alterations found in the N-glycan pattern highlight the importance of N-glycome as a molecular signature in cancer.

Numerical assessment of the water injection application to GDI engines

A possible future scenario for the water injection (WI) application has been explored as an advanced strategy for modern GDI engines. The aim is to verify whether the PWI (Port Water Injection) and DWI (Direct Water Injection) architectures can replace current fuel enrichment strategies to limit turbine inlet temperatures (TiT) and knock engine attitude. In this way, it might be possible to extend the stoichiometric mixture condition over the entire engine map, meeting possible future restrictions in the use of AES (Auxiliary Emission Strategies) and future emission limitations. The research was first addressed through a comprehensive assessment of the state-of-the-art of the technology and the main effects of the chemical-physical water properties. Then, detailed chemical kinetics simulations were performed in order to compute the effects of WI on combustion development and auto-ignition. The latter represents an important methodology step for accurate numerical combustion simulations. The water injection was then analysed in detail for a PWI system, through an experimental campaign for macroscopic and microscopic injector characterization inside a test chamber. The collected data were used to perform a numerical validation of the spray models, obtaining an excellent matching in terms of particle size and droplet velocity distributions. Finally, a wide range of three-dimensional CFD simulations of a virtual high-bmep engine were realized and compared, exploring also different engine designs and water/fuel injection strategies under non-reacting and reacting flow conditions. According to the latter, it was found that thanks to the introduction of water, for both PWI and DWI systems, it could be possible to obtain an increase of the target performance and an optimization of the bsfc (Break Specific Fuel Consumption), lowering the engine knock risk at the same time, while the TiT target has been achieved hardly only for one DWI configuration.

Development of a patient-specific model for stroke risk assessment in atrial fibrillation patients

Atrial fibrillation is associated with a five-fold increase in the risk of cerebrovascular events,being responsible of 15-18% of all strokes.The morphological and functional remodelling of the left atrium caused by atrial fibrillation favours blood stasis and, consequently, stroke risk. In this context, several clinical studies suggest that stroke risk stratification could be improved by using haemodynamic information on the left atrium (LA) and the left atrial appendage (LAA). The goal of this study was to develop a personalized computational fluid-dynamics (CFD) model of the left atrium which could clarify the haemodynamic implications of atrial fibrillation on a patient specific basis. The developed CFD model was first applied to better understand the role of LAA in stroke risk. Infact, the interplay of the LAA geometric parameters such as LAA length, tortuosity, surface area and volume with the fluid-dynamics parameters and the effects of the LAA closure have not been investigated. Results demonstrated the capabilities of the CFD model to reproduce the real physiological behaviour of the blood flow dynamics inside the LA and the LAA. Finally, we determined that the fluid-dynamics parameters enhanced in this research project could be used as new quantitative indexes to describe the different types of AF and open new scenarios for the patient-specific stroke risk stratification.

Impact of Glycosyltransferases on the Phenotype, Signaling and Transcriptome of Colorectal Cancer Cell Lines. Focus on the role of glycosyltransferases B4GALNT2 and FUT6 and their cognate Sda and sLex antigens

In colorectal cancer (CRC), two carbohydrate structures are modulated: the Sda antigen, synthesized by B4GALNT2, and sLex antigen, mainly synthesized by FUT6. sLex antigen is often overexpressed and associated with worse prognosis; B4GALNT2/Sda antigen are dramatically downregulated but their role in tumor progression and development is not fully clear. TCGA interrogation revealed a dramatic down-regulation of B4GALNT2 mRNA in CRC, compared with normal samples. Patients with higher B4GALNT2 mRNA in CRC samples displayed longer survival. Yet, methylation and miRNA expression play a relevant role in B4GALNT2 downregulation in CRC. To clarify the mechanisms linking the B4GALNT2/Sda expression level to CRC phenotype, three different CRC cell lines were modified to express B4GALNT2: LS174T cell line, in which the constitutively expressed sLex antigen was partially replaced by Sda; SW480/SW620 pair, both lacking Sda and sLex antigens. In LS174T cells, the expression of B4GALNT2 reduced the ability to grow in poor adherence conditions and the expression of ALDH, a stemness marker. In SW620 cells, B4GALNT2 expression impacted on the main aspects of malignancy. In SW480 cells the expression of B4GALNT2 left unchanged the proliferation rate and the wound healing ability. To clarify the impact of sLex on CRC phenotype, the SW480/SW620 pair were permanently transfected to express FUT6 cDNA. In both cell lines, overexpression of FUT6/sLex boosted the clonogenic ability in standard growth conditions. Conversely, the growth in soft agar and the capacity to close a wound were enhanced only in SW620 cells. Transcriptome analysis of CRC cell lines transfected either with B4GALNT2 or FUT6 showed a relevant impact of both enzymes on gene expression modulation. Overall, current data may help to personalize therapies for CRC patients according to the B4GALNT2 levels and support a causal effect of this glycosyltransferase on reducing malignancy independently of sLex inhibition.

Evaluation of alpha-synuclein RT-QuIC for an early and differential diagnosis of Lewy body disease

Synucleinopathies are a group of neurodegenerative diseases characterized by tissue deposition of insoluble aggregates of the protein α-synuclein. Currently, the clinical diagnosis of these diseases, including Parkinson’s disease (PD), dementia with Lewy bodies (DLB), and multiple system atrophy (MSA), is very challenging, especially at an early disease stage, due to the heterogeneous and often non-specific clinical manifestations. Therefore, identifying specific biomarkers to aid the diagnosis and improve the clinical management of patients with these disorders represents a primary goal in the field. Pursuing this aim, we applied the α-Syn Real-Time Quaking-Induced Conversion (RT-QuIC), an ultrasensitive technique able to detect minute amounts of amyloidogenic proteins, to a large cohort of 953 CSF samples from clinically well-characterized (“clinical” group), or neuropathologically verified (“NP” group) patients with parkinsonism or dementia. Of significance, we also studied patients with prodromal synucleinopathies (“prodromal” group), such as pure autonomic failure (PAF) (n = 28), isolated REM sleep behavior disorder (iRBD) (n = 18), and mild cognitive impairment due to probable Lewy body (LB) disease (MCI-LB) (n = 81). Our findings show that α-syn RT-QuIC can accurately detect α-Syn seeding activity across the whole spectrum of LB-related disorders (LBD), exhibiting a mean sensitivity of 95.2% in the “clinical” and “NP” group, while ranging between 89.3% (PAF) and 100% (RBD) in the “prodromal group”. Moreover, we observed 95.1% sensitivity and 96.6% specificity in the distinction between MCI-LB patients and cognitively unimpaired controls, demonstrating the solid diagnostic potential of α-Syn RT-QuIC in the early phase of the disease. Finally, 13.3% of MCI-AD patients also had a positive test, suggesting an underlying LB co-pathology. This work demonstrated that α-Syn RT-QuIC is an efficient assay for accurate and early diagnosis of LBD, which should be implemented for clinical management and recruitment for clinical trials in memory clinics.

Development of numerical methodologies to predict the liquid fuel sprays - wall interaction to optimize the mixing process of direct injection spark ignition engines

Nowadays the development of new Internal Combustion Engines is mainly driven by the need to reduce tailpipe emissions of pollutants, Green-House Gases and avoid the fossil fuels wasting. The design of dimension and shape of the combustion chamber together with the implementation of different injection strategies e.g., injection timing, spray targeting, higher injection pressure, play a key role in the accomplishment of the aforementioned targets. As far as the match between the fuel injection and evaporation and the combustion chamber shape is concerned, the assessment of the interaction between the liquid fuel spray and the engine walls in gasoline direct injection engines is crucial. The use of numerical simulations is an acknowledged technique to support the study of new technological solutions such as the design of new gasoline blends and of tailored injection strategies to pursue the target mixture formation. The current simulation framework lacks a well-defined best practice for the liquid fuel spray interaction simulation, which is a complex multi-physics problem. This thesis deals with the development of robust methodologies to approach the numerical simulation of the liquid fuel spray interaction with walls and lubricants. The accomplishment of this task was divided into three tasks: i) setup and validation of spray-wall impingement three-dimensional CFD spray simulations; ii) development of a one-dimensional model describing the liquid fuel – lubricant oil interaction; iii) development of a machine learning based algorithm aimed to define which mixture of known pure components mimics the physical behaviour of the real gasoline for the simulation of the liquid fuel spray interaction.

Studio numerico dell’effetto dell’iniezione d’acqua sul rischio di detonazione di motori GDI ad alta potenza specifica

Nel contesto motoristico odierno, in cui le normative sulle emissioni sono sempre più stringenti, il costo dei carburanti è in costante rialzo e il diffondersi della consapevolezza che l’inquinamento prodotto dall’uomo ha alterato irreversibilmente il delicato equilibrio climatico, ha spinto i legislatori verso l’introduzione di norme sempre più stringenti per quanto riguarda le emissioni massime consentite ai motori ad accensione comandata. Questo ha portato alla ricerca di strategie che permettessero di proporre motori più efficienti mantenendo al contempo elevati livelli prestazionali. Il presente lavoro ha voluto meglio delineare le potenzialità e criticità di un sistema di iniezione d’acqua diretto studiandone gli effetti sul ciclo medio di combustione di un motore GDI ad alta potenza specifica alimentato con miscela stechiometrica. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l’adozione di simulazioni CFD tridimensionali. Dopo una prima fase di studio per determinare la miglior combinazione di timing e pressione di iniezione in grado di portare i migliori benefici sotto l’aspetto termo-fluidodinamico nel motore in esame, si è analizzata la fase di combustione, realizzata con diversi anticipi e per quantitativi variabili d’acqua iniettata, procedendo poi al confronto con i risultati di combustione in condizioni di miscela ricca e assenza di acqua, rappresentativa delle condizioni di funzionamento attuali, al fine di individuare la minima massa d’acqua necessaria all’ottenimento delle medesime prestazioni. Si è proceduto poi a ricercare la massima prestazione tramite l’adozione di elevate pressioni d'iniezione, tali da permettere l’impiego di consistenti masse d’acqua. Infine, si sono indagati gli effetti dell’iniezione d’acqua al crescere del rapporto di compressione.

Validazione di metodologie di simulazione dell’impatto a parete di spray di combustibile iniettati ad alta pressione

Il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con una azienda del settore automotive, tratta lo studio di impatto di sprays combustibili su pareti calde adottando un approccio numerico CFD-3D. Viene effettuata la validazione di alcuni tra i più utilizzati modelli di interazione goccia-parete implementati nel software commerciale STAR-CD. Lo scopo principale del lavoro svolto è quello di indirizzare il lettore verso una corretta implementazione della simulazione di uno spray impattante, comprendere pregi e limiti dei modelli applicati e fornire dei criteri per effettuare la scelta tra uno di essi in funzione di condizioni di interesse motoristico.

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.

Valutazione del grado di assorbimento di matrici oleose da parte di polisaccaridi ottenuti da aloe vera

Il principale costituente delle foglie di aloe è il gel di aloe ampiamente utilizzato in diversi settori industriali (cosmetico, medico, alimentare) grazie alle sue caratteristiche chimico-fisiche, tra cui la presenza di polisaccaridi con un’elevata capacità di ritenzione di acqua e sostanze oleose. L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è stato la valutazione della capacità di assorbimento di cinque diverse matrici oleose (olio di mais raffinato, olio di soia raffinato, olio di girasole raffinato, olio extra vergine di oliva, glicerolo) da parte di polisaccaridi ottenuti dalla liofilizzazione di gel di aloe. Il prodotto liofilizzato è stato utilizzato per l’estrazione dei residui insolubili in alcol (AIRs) su cui è stata poi valutata la capacità di assorbimento delle matrici oleose. Per la caratterizzazione delle diverse tipologie di campioni utilizzati, sono state realizzate alcune determinazioni analitiche: per quanto riguarda gli AIRs, è stata realizzata la determinazione degli zuccheri mediante analisi gascromatografica, degli acidi uronici mediante spettrofotometria e del grado di metil esterificazione delle pectine mediante spettroscopia a infrarossi. Nelle matrici oleose è stata invece valutata la composizione in acidi grassi. I dati ottenuti sono risultati in accordo con quanto già presente in letteratura. Non è stato, inoltre, evidenziato un assorbimento selettivo in funzione dei diversi oli vegetali testati.