Valutazione delle prestazioni termo-idrauliche di microcanali a spigoli smussati

In questo eleborato viene presentato uno studio focalizzato sull’ottimizzazione della geometria dei microcanali di un dissipatore di calore, con lo scopo di fornire una serie di relazioni operative e quindi direttamente utilizzabili per la progettazione di tali dispositivi. Alla definizione delle tradizionali funzioni obiettivo, legate ai Performance Evaluation Criteria (PEC), è stata aggiunta un’analisi dal punto di vista del secondo principio della termodinamica, per valutare l’entropia generata da un flusso fluido in un canale. Normalizzando l’entropia generata si è passati all’utilizzo di un numero di generazione entropica adimensionale e quindi più adatto alla valutazione delle prestazioni. Dopo una prima fase di analisi dal punto di vista fisico, il modello è stato applicato a casi concreti, in cui funzione obiettivo e numero di generazione entropica sono stati espressi in dipendenza dell’incognita geometrica da valutare. Inoltre, è stato approfondito anche il caso in cui non siano trascurabili gli effetti di dissipazione viscosa, che possono effettivamente incidere in modo determinante sullo scambio termico, soprattutto alle microscale.

Misure e simulazioni a 60ghz per lo studio della propagazione negli edifici

Studio di misure fatte a 60 GHz e delle rispettive simulazioni mediante Ray Tracing

Studio dei circuiti di clamper negli amplificatori operanti in classe e

Questa tesi tratta dell’amplificatore di potenza (PA–Power Amplifier) operante in classe E. Si tratta di un convertitore DC/AC ad elevato rendimento che può trovare impiego in numerose applicazioni in cui il problema della generazione di calore o la necessità di non sprecare energia sono particolarmente stringenti (ad esempio apparati per cui non è previsto un impianto di raffreddamento e/o apparati alimentati a batteria). L’elevato rendimento di un amplificatore operante in classe E deriva dalle specifiche forme d’onda ai capi del dispositivo attivo impiegato, tali per cui la perdita di commutazione durante la fase di accensione dello switch diviene pressoché trascurabile (Zero-Voltage-Switching e Zero-Derivative-Voltage Turn-ON). Il prezzo da pagare per ottenere queste benefiche forme d’onda è quello di avere un valore di cresta della tensione sul dispositivo che commuta assai più elevato del valore medio, coincidente con la tensione di alimentazione DC. In generale si stima una tensione di picco fra le 3 e le 5 volte più elevata della tensione DC, in funzione del Duty-Cycle e dell’assorbimento di corrente sul carico. Occorre poi tenere presente che in condizioni dinamiche (ad esempio qualora si collegasse direttamente l’amplificatore all’alimentazione) potrebbero innescarsi dei transitori tali per cui la tensione di picco ecceda anche il range suddetto. Per questo motivo è bene porre un limite alla massima tensione di picco adottando dei circuiti di protezione del transistore al fine di evitare la sua distruzione per limiti legati alla tensione di breakdown. Questi circuiti sono denominati clamper: in questa tesi valuteremo le modalità con cui si può implementare tale protezione; valuteremo, inoltre, i vantaggi e gli svantaggi derivanti dall’impiego di tali circuiti. Questi clamper sono prevalentemente di tipo dissipativo (Zener); nel corso della tesi si è studiato la realizzazione di un clamper rigenerativo che utilizza un trasformatore, ma si è constatata la irrealizzabilità fisica a causa della inevitabile presenza della induttanza dispersa.

Analisi della qualità del flusso di una galleria del vento per uso didattico

La galleria del vento "Wintaer" (WINd Tunnel itAER) è una piccola galleria subsonica con flusso incomprimibile utilizzata per scopi didattici, dotata di ventola assiale "Varofoil" a passo variabile per la regolazione della velocità del flusso. Lo scopo di questo elaborato è analizzare la qualità del flusso della galleria al fine di determinare le prestazioni del sistema ed alcune proprietà fondamentali, ovvero l'uniformità spaziale del flusso attraverso l'acquisizione di profili di velocità e l'intensità di turbolenza. Dalla conduzione delle prove sperimentali è emerso che la galleria permette il raggiungimento di un range di velocità compreso tra i 16 m/s e i 43 m/s, ha poca uniformità spaziale e presenta alti livelli di turbolenza. Per quanto riguarda il range di velocità si sono riscontrate problematiche relative all'impossibilità di raggiungere le basse velocità (fino a 7 m/s) a causa, molto probabilmente, di blocchi meccanici che limitano l'intervallo di angoli di calettamento (e quindi il passo) delle pale della ventola, ed è quindi necessario l'intervento della ditta per effettuare un'operazione di revisione della ventola. Relativamente ai profili di velocità, acquisiti con tubo di Pitot, e all'intensità di turbolenza, acquisita con anemometro a filo caldo, è emerso che i risultati sono stati disturbati da errori introdotti a causa dell'instabilità termica della galleria, ovvero un aumento progressivo di temperatura nell'impianto. Tale instabilità può essere risolta rimettendo in funzione l'unità di scambio di calore di cui la galleria è equipaggiata. L'attendibilità dei risultati ottenuti è quindi condizionata dall'instabilità termica, dunque, per una più preciso studio della qualità del flusso è necessario effettuare le prove sperimentali in condizioni di stabilità termica, la quale sarà essa stessa oggetto di analisi una volta rimesso in funzione il sistema di raffreddamento. Infine sono proposte soluzioni per il miglioramento della geometria dell'impianto, poco efficiente, in particolare per quanto riguarda i raddrizzatori di filetti fluidi (honeycombs) e il raccordo tra convergente e camera di prova, per il passaggio dalla sezione circolare del convergente a quella rettangolare della camera di prova. Si suggerisce lo spostamento di tale raccordo a monte della camera di calma, l'adozione di un convergente a sezione rettangolare e di una camera di calma a sezione rettangolare con honeycombs esagonali e l'aggiunta di reti per la diminuzione della turbolenza del flusso.

Simulazione numerica di un sistema geotermico a bassa entalpia open-loop in presenza di un gradiente geotermico anomalo

Il lavoro svolto nella presente tesi di laurea magistrale consiste nella modellazione e simulazione numerica, tramite il software commericale COMSOL MULTIPHYSICS, di un reservoir geotermico a bassa entalpia sfruttato mediante un impianto di teleriscaldamento a pompa di calore accoppiato ad un sistema open-loop.

Interazione tra squalo bianco (Carcharadon carcharias) e otaria orsina del Capo (Arctocephalus pusillus pusillus) nell'area di Seal Island a Mossel Bay, Sud Africa.

Gli squali bianchi sono tra i più importanti predatori dei Pinnipedi (Klimley et al., 2001; Kock, 2002). La loro principale strategia di caccia consiste nel pattugliare le acque circostanti ad una colonia di otarie e nell’attaccarle quando queste sono in movimento, mentre si allontanano o avvicinano all’isola (Klimley et al., 2001; Kock, 2002). Tuttavia, la strategia e la dinamica della predazione osservate anche in relazione al ciclo riproduttivo della preda e le tattiche comportamentali messe in atto dalla preda per ridurre la probabilità di predazione, e quindi diminuire la sua mortalità, sono ancora poco conosciute. Con questo studio, effettuato nell’area di Seal Island all’interno della baia di Mossel Bay in Sud Africa, abbiamo cercato di definire proprio questi punti ancora poco conosciuti. Per studiare la strategia e le dinamica di predazione dello squalo bianco abbiamo utilizzato il sistema di monitoraggio acustico, in modo da poter approfondire le conoscenze sui loro movimenti e quindi sulle loro abitudini. Per dare un maggiore supporto ai dati ottenuti con la telemetria acustica abbiamo effettuato anche un monitoraggio visivo attraverso l’attrazione (chumming) e l’identificazione fotografica degli squali bianchi. Per comprendere invece i loro movimenti e le tattiche comportamentali messi in atto dalle otarie orsine del capo per ridurre la probabilità di predazione nella baia di Mossel Bay, abbiamo utilizzato il monitoraggio visivo di 24 ore, effettuato almeno una volta al mese, dalla barca nell’area di Seal Island. Anche se gli squali bianchi sono sempre presenti intorno all’isola i dati ottenuti suggeriscono che la maggior presenza di squali/h si verifica da Maggio a Settembre che coincide con l’ultima fase di svezzamento dei cuccioli delle otarie del capo, cioè quando questi iniziano a foraggiare lontano dall'isola per la prima volta; durante il sunrise (alba) durante il sunset (tramonto) quando il livello di luce ambientale è bassa e soprattutto quando la presenza delle prede in acqua è maggiore. Quindi possiamo affermare che gli squali bianchi a Seal Island prendono delle decisioni che vanno ad ottimizzare la loro probabilità di catturare una preda. I risultati preliminari del nostro studio indicano anche che il numero di gruppi di otarie in partenza dall'isola di notte sono di gran lunga maggiori di quelle che partono durante il giorno, forse questo potrebbe riflettere una diminuzione del rischio di predazione; per beneficiare di una vigilanza condivisa, le otarie tendono in media a formare gruppi di 3-5 o 6-9 individui quando si allontanano dall’isola e questo probabilmente le rende meno vulnerabili e più attente dall’essere predate. Successivamente ritornano all’isola da sole o in piccoli gruppi di 2 o 3 individui. I gruppi più piccoli probabilmente riflettono la difficoltà delle singole otarie a riunirsi in gruppi coordinati all'interno della baia.

Ripensare l'infrastruttura: Un edificio polifunzionale per la rigenerazione degli spazi pubblici a Bogota

Una megalopoli come Bogotà ha vissuto negli anni un processo di espansione che ha portato ad una scarsa pianificazione urbanistica con edilizia autocostruita, soprattutto nell'area sud della città, quella più povera e in via di espansione dell’intera Bogotà. Per sopperire alla forte mancanza di spazi pubblici, il progetto intende affrontare quattro tematiche: il rapporto con una infrastruttura pesante, la valorizzazione di un vuoto urbano e la creazione di un parco lineare e di una piazza come luoghi di incontro per la comunità. Il nuovo edificio individua i suoi fondamenti nel ripensamento di un grande nodo stradale all'incrocio con l’Autosur e assume una configurazione circolare in seguito all'applicazione del modello proposto da Luis Kahn per il piano di Philadelphia: sono infatti i flussi e il movimento a disegnare il nuovo nodo stradale e l’edificio.

Water management aeroportuale: Analisi sperimentale dell'accumulo di inquinanti in airside. Il caso dell'aeroporto G. Marconi di bologna.

Negli ultimi quindici anni il traffico aereo passeggeri in Italia è stato interessato da un cospicuo incremento: si è passati dai 91 milioni di passeggeri nel 2000 ai 150 milioni nel 2014. Le previsioni di crescita per il Paese indicano il possibile raddoppio del traffico entro il 2030, quando si dovrebbe raggiungere la soglia dei 300 milioni di passeggeri, con un aumento soprattutto della quota parte internazionale. Non vi può essere sviluppo economico di uno Stato senza crescita del traffico aereo, la quale si può realizzare solo con un adeguamento e un potenziamento delle capacità delle infrastrutture aeroportuali compatibile con le condizioni ambientali e un’efficace interconnessione degli scali con gli altri modi di trasporto. Infatti la pianificazione e la progettazione degli aeroporti non può prescindere da un’analisi approfondita sugli impatti ambientali prodotti dalle attività svolte all’interno degli scali. Inoltre l’incremento del numero medio di passeggeri per movimento (dal 75 pax/mov nel 2000 a 106 pax/mov nel 2011, dato riferito al traffico nazionale) rappresenta un dato positivo dal punto di vista ambientale: nei cieli vola un minor numero di aeromobili, ma in grado di trasportare un maggior numero di passeggeri, con conseguente diminuzione del numero dei movimenti, quindi del rumore, delle emissioni e dell’inquinamento ambientale provocato dalle operazioni necessarie a garantire l’operatività di ciascun volo. La salvaguardia dell’ambiente per un aeroporto è un compito difficile e oneroso, poiché può creare problemi ambientali come inquinamento acustico, dell’aria, delle acque fondiarie e trattamento dei rifiuti. In particolare, scopo di questo elaborato è studiare l’impatto che le operazioni svolte in air-side provocano sulla qualità delle acque di dilavamento, osservando e analizzando le attività che avvengono presso l’Aeroporto G. Marconi di Bologna. Si intende svolgere un censimento delle operazioni che influenzano la qualità delle acque (sia direttamente sia a seguito del dilavamento delle pavimentazioni aeroportuali), indagando quali siano i soggetti coinvolti, le procedure da eseguire, la frequenza e gli eventuali mezzi impiegati. Poi si vogliono eseguire analisi chimiche e granulometriche con un duplice obiettivo: conoscere la qualità delle acque raccolte dalle caditoie presenti nel piazzale e a bordo pista e verificare l’efficacia delle operazioni eseguite anche per ridurre il build up, cioè il tasso di accumulo in tempo secco e, di conseguenza, l’apporto di inquinanti riversato nelle acque di dilavamento. Infine si propongono interventi volti a incrementare la sostenibilità ambientale dell’infrastruttura aeroportuale, con particolare attenzione alla riduzione dell’inquinamento idrico.

Analisi della rete di teleriscaldamento di Corticella in presenza di utenze attive

Oggetto di questa tesi è lo studio di una rete di teleriscaldamento (TLR) preesistente, la rete di Corticella (Bo) ipotizzando la presenza di sottostazioni di scambio termico attive. Inizialmente sono state presentate le sottostazioni di scambio termico sia tradizionali che attive. Nelle tradizionali ci si è soffermato sul tipo di regolazione che può avvenire. Per quanto riguarda le sottostazioni di scambio termico attive son stati esaminati i 4 layout che permettono uno scambio termico bidirezionale di energia termica. E’ stato presentato il software IHENA (intelligent Heat Energy Network Analysis) creato dal dipartimento di ingegneria industriale, che ha permesso di effettuare le simulazioni sulla rete analizzata. Viene mostrato l’algoritmo di Todini-Pilati generalizzato dall’utilizzo delle equazioni di Darcy-Weisbach su cui si basa il motore di calcolo. Inoltre vengono presentati i vari input che è necessario inserire per ottenere il calcolo della rete. Dopo nozioni di base relative al teleriscaldamento attivo e la presentazione del software utilizzato si è passati alla vera e propria analisi della rete di teleriscaldamento. Sono state effettuate varie simulazioni per vedere l’andamento della rete di Corticella sia considerandola passiva (come nella realtà) che ipotizzandola attiva tramite l’inserimento di sottostazioni di scambio termico ative. Le analisi condotte riguardano i seguenti punti. a) E’ stata presentata la rete di Corticella cosi come è andando a studiare quindi il caso base. b) Sono state svolte delle analisi per vedere come si comportava la rete nel caso in cui venivano variati dei parametri operativi come i carichi termici richiesti dalle utenze. c) Sono stati valutati i percorsi più critici. d) Si è condotta un analisi sulla regolazione al variare delle temperature esterne. Dopo l'analisi del caso base sono state introdotte delle sottostazioni di scambio termico attive, prima solo una, e poi varie lungo determinati percorsi. Le valutazioni effettuate mettevano in primo piano gli andamenti della temperatura nei percorsi, la potenza termica generata dalla sorgente, la temperatura di ritorno in centrale e se si verificano delle problematiche sugli scambiatori di calore. In queste simulazioni sono stati valutati tutti e quattro gli schemi utilizzabili. Infine è stata effettuata un analisi comparativa tra le varie soluzioni studiate per poter mettere a confronto i casi. In particolare anche qui si sono voluti confrontare i valori di potenza spesa per il pompaggio, temperatura di ritorno in centrale e potenza termica offerta dalla sorgente.

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.

Analisi sperimentale di un accumulo termico tramite fluido a cambiamento di fase

L’incremento dell’istallazione di collettori solari termici e panelli solari ibridi nell’ultimo decennio ha spinto il mercato settoriale alla ricerca di nuovi sistemi di accumulo termico da implementare a tali impianti, al fine di poter sfruttare l’energia derivante dal sole con una efficienza termica maggiore. I dispositivi oggigiorno in commercio, nonostante le tecnologie impiantistiche risultino essere state migliorate, non hanno subito un’evoluzione ed ancora oggi il principale materiale d’accumulo è l’acqua, ottenendo così dispositivi con efficienze molto ridotte, di dimensioni elevate e collocabili in zone interne abitabili. L’utilizzo di fluido a cambiamento di stato come mezzo di accumulo può essere una valida alternativa al fine di incrementare l’efficienza dal punto di vista energetico e la riduzione degli ingombri, data l’elevata energia interna posseduta dal materiale durante il cambiamento di fase. Nel seguente elaborato di tesi, si è posto come obbiettivo quello di effettuare uno studio sulla possibilità di accumulare energia termica mediante l’utilizzo di un fluido a cambiamento di fase a base organica, tramite un’analisi sperimentale ed energetica dei meccanismi di fusione attorno ad un ramo dello scambiatore di calore, al fine di valutare la conformazione migliore che permetta la sottrazione di energia termica latente durante la fase di solidificazione. Questo ha comportato, oltre alla scelta del PCM ottimale per l’accumulo, la progettazione e realizzazione del prototipo e l’attrezzatura sperimentale.

Studio di fattibilita’ per lo sfruttamento geotermico delle gallerie del Brennero

Il calore contenuto in profondità negli ammassi rocciosi può essere estratto attraverso un sistema geotermico che prevede l’inserimento di tubazioni in corrispondenza del rivestimento del tunnel, all'interno del quale circola un fluido termovettore che assorbe calore dalle pareti circostanti. Il caso di studio analizzato è la Galleria di Mules, un tunnel scavato in metodo tradizionale all'interno del Granito di Bressanone, che funge come unica finestra di accesso sul lato italiano alla Galleria di Base del Brennero (BBT). Essa si sviluppa in direzione ovest-est per una lunghezza pari circa a 1780 m. In fase di esercizio. Attraverso una caratterizzazione geologica e idrogeologica dell’area di interesse, prove di laboratorio su campioni e rilevazioni delle temperature all’interno della galleria, è stato possibile delineare un quadro geotermico dell’area di interesse. I dati raccolti hanno permesso di ricavare un modello 3D delle temperature dell’area e, attraverso un’apposita procedura di calcolo, quantificare il potenziale energetico estraibile dal tratto di galleria considerato. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato realizzato uno schema dettagliato della disposizione del circuito sorgente, adattato sul progetto definitivo del rivestimento interno alla Galleria di Mules. In assenza di potenziali utenze termiche nelle vicinanze del portale di accesso, si è ipotizzato di destinare la risorsa geotermica ad una pavimentazione stradale dotata di sistema snow and ice melting. La pavimentazione permetterà il collegamento fra la strada SS12 e l’imbocco del tunnel. E’ stata effettuata una stima dei costi di investimento dell’intero sistema a pompa di calore e, sulla base del fabbisogno energetico dell’utenza considerata, sono stati valutati i costi di esercizio, confrontandoli con altre possibili soluzioni. Lo studio ha dimostrato la fattibilità tecnico-economica di soluzioni di questo tipo e si pone come primo passo per approfondimenti futuri.

Line focusing for soft x-ray laser-plasma lasing

A computational study of line-focus generation was done using a self-written ray-tracing code and compared to experimental data. Two line-focusing geometries were compared, i.e., either exploiting the sagittal astigmatism of a tilted spherical mirror or using the spherical aberration of an off-axis- illuminated spherical mirror. Line focusing by means of astigmatism or spherical aberration showed identical results as expected for the equivalence of the two frames of reference. The variation of the incidence angle on the target affects the line-focus length, which affects the amplification length such that as long as the irradiance is above the amplification threshold, it is advantageous to have a longer line focus. The amplification threshold is physically dependent on operating parameters and plasma-column conditions and in the present study addresses four possible cases.

Topologically Accurate Dual Isosurfacing Using Ray Intersection

“Dual contouring” approaches provide an alternative to standard Marching Cubes (MC) method to extract and approximate an isosurface from trivariate data given on a volumetric mesh. These dual approaches solve some of the problems encountered by the MC methods. We present a simple method based on the MC method and the ray intersection technique to compute isosurface points in the cell interior. One of the advantages of our method is that it does not require us to use Hermite interpolation scheme, unlike other dual contouring methods. We perform a complete analysis of all possible configurations to generate a look-up table for all configurations. We use the look-up table to optimize the ray-intersection method to obtain minimum number of points necessarily sufficient for defining topologically correct isosurfaces in all possible configurations. Isosurface points are connected using a simple strategy.

Hohlraum Target for Overcoming Refractive Losses in Plasma X-ray Lasers

Refractive losses in laser-produced plasmas used as gain media are caused by electron density gradients, and limit the energy transport range. The pump pulse is thus deflected from the high-gain region and the short wavelength laser signal also steers away, causing loss of collimation. A Hohlraum used as a target makes the plasma homogeneous and can mitigate refractive losses by means of wave-guiding. A computational study combining a hydrodynamics code and an atomic physics code is presented, which includes a ray-tracing modeling based on the eikonal theory of the trajectory equation. This study presents gain calculations based on population inversion produced by free-electron collisions exciting bound electrons into metastable levels in the 3d94d1(J = 0) → 3d94p1(J = 1) transition of Ni-like Sn. Further, the Hohlraum suggests a dramatic enhancement of the conversion efficiency of collisionally excited x-ray lasing for Ni-like Sn.