Analisi del moto di particelle in sospensione mediante simulazioni di fluidodinamica computazionale

La mobilitazione di polveri radioattive nel caso di un incidente di perdita di vuoto (LOVA) all’interno di ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), è uno dei problemi di sicurezza che si sono posti durante la costruzione di tale reattore. Le polveri vengono generate dalla continua erosione da parte del plasma del materiale di contenimento. Ciò porta ad un accumulo delle stesse all’interno della camera di vuoto. Nel caso di un incidente LOVA il rilascio di tali polveri in atmosfera rappresenta un rischio per la salute di lavoratori e della popolazione circostante. Per raccogliere dati su tale tipo di incidente è stata costruita presso il laboratorio dell’università di Tor Vergata una piccola facility, STARDUST, in cui sono stati eseguiti vari esperimenti con delle condizioni iniziali simili a quelle presenti all’interno di ITER. Uno di questi esperimenti in particolare simula la rottura della camera di vuoto mediante l’ingresso di aria in STARDUST, inizialmente posto a 100 Pa, con un rateo di pressurizzazione di 300 Pa s−1. All’interno del serbatoio sono presenti delle polveri che, in differente percentuale, vengono portate in sospensione dal flusso di fluido entrante. In particolare le polveri sono composte da tungsteno (W), acciaio inossidabile (SS – 316 ) e carbonio ( C ). Scopo del presente lavoro è quello di riprodurre il campo di velocità che si genera all’interno di STARDUST nel caso dell’esperimento appena descritto e valutare il moto delle particelle portate in sospensione e la loro successiva deposizione. Ciò viene fatto mediante l’utilizzo di una geometria bidimensionale creata con Salome. Su tale geometria sono costruite differenti mesh strutturate in base al tipo di simulazione che si vuole implementare. Quest’ultima viene poi esportata nel solutore utilizzato, Code_Saturne. Le simulazioni eseguite possono essere suddivise in tre categorie principali. Nella prima (Mesh A) si è cercato di riprodurre i risultati numerici presentati dagli autori della parte sperimentale, che hanno utilizzato il software commerciale Fluent. Nella seconda si è riprodotto il campo di velocità interno a STARUDST sulla base dei dati sperimentali in possesso. Infine nell’ultima parte delle simulazioni si è riprodotto il moto delle particelle sospese all’interno del fluido in STARDUST, valutandone la deposizione. Il moto del fluido pressurizzante è stato considerato come compressibile. Il regime di moto è stato considerato turbolento viste le elevate velocità che provocavano elevati valori del numero di Reynolds per l’aria. I modelli con cui si è trattata la turbolenza sono stati di tre tipi. Il campo di velocità ottenuto è stato leggermente differente nei tre casi e si è proceduto ad un confronto per valutare le cause che hanno portato a tali differenze. Il moto delle particelle è stato trattato mediante l’utilizzo del modello di tracciamento lagrangiano delle particelle implementato in Code_Saturne. Differenti simulazioni sono state eseguite per tenere in considerazione i vari modelli di turbolenza adottati. Si è dunque proceduto ad analizzare similitudini e differenze dei risultati ottenuti.

Fluidodinamica biomedica computazionale del flusso sanguigno in presenza di affezioni strumentali e/o patologiche

La tesi di Dottorato studia il flusso sanguigno tramite un codice agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics). Nell’arteria è presente un catetere Doppler (in posizione concentrica o decentrata rispetto all’asse di simmetria) o di stenosi di varia forma ed estensione. Le arterie sono solidi cilindrici rigidi, elastici o iperelastici. Le arterie hanno diametri di 6 mm, 5 mm, 4 mm e 2 mm. Il flusso ematico è in regime laminare stazionario e transitorio, ed il sangue è un fluido non-Newtoniano di Casson, modificato secondo la formulazione di Gonzales & Moraga. Le analisi numeriche sono realizzate in domini tridimensionali e bidimensionali, in quest’ultimo caso analizzando l’interazione fluido-strutturale. Nei casi tridimensionali, le arterie (simulazioni fluidodinamiche) sono infinitamente rigide: ricavato il campo di pressione si procede quindi all’analisi strutturale, per determinare le variazioni di sezione e la permanenza del disturbo sul flusso. La portata sanguigna è determinata nei casi tridimensionali con catetere individuando tre valori (massimo, minimo e medio); mentre per i casi 2D e tridimensionali con arterie stenotiche la legge di pressione riproduce l’impulso ematico. La mesh è triangolare (2D) o tetraedrica (3D), infittita alla parete ed a valle dell’ostacolo, per catturare le ricircolazioni. Alla tesi sono allegate due appendici, che studiano con codici CFD la trasmissione del calore in microcanali e l’ evaporazione di gocce d’acqua in sistemi non confinati. La fluidodinamica nei microcanali è analoga all’emodinamica nei capillari. Il metodo Euleriano-Lagrangiano (simulazioni dell’evaporazione) schematizza la natura mista del sangue. La parte inerente ai microcanali analizza il transitorio a seguito dell’applicazione di un flusso termico variabile nel tempo, variando velocità in ingresso e dimensioni del microcanale. L’indagine sull’evaporazione di gocce è un’analisi parametrica in 3D, che esamina il peso del singolo parametro (temperatura esterna, diametro iniziale, umidità relativa, velocità iniziale, coefficiente di diffusione) per individuare quello che influenza maggiormente il fenomeno.

Studio della fluidodinamica e della reazione chimica in un reattore agitato tramite modellazione cfd

L’attività di tesi è stata rivolta a realizzare l’accoppiamento tra modelli di reazione chimica e modelli di fluidodinamica per una reazione eterogenea solido-liquido in un reattore agitato, in ambito di un codice commerciale di fluidodinamica numerica. Lo studio ha avuto come punto di partenza la definizione e la discretizzazione del dominio di calcolo tramite un apposito programma. Per una trattazione completa, si sono svolti studi preliminari volti ad identificare le incertezze dovute ai metodi numerici e i limiti dovuti alla formulazione dei modelli per la descrizione del sistema. Lo studio si è svolto considerando sistemi di complessità crescente, partendo da simulazioni monofase fino ad arrivare allo studio di diverse soluzioni per sistemi reagenti con reazioni eterogenee solido-liquido. Questi ultimi esempi applicativi sono serviti come verifica del modello sviluppato (dove con modello si è indicato l’insieme dei modelli relativi alla fluidodinamica accoppiati al modello di reazione). Questa attività ha contribuito ad affrontare un problema di simulazione completa e completamente predittiva dei reattori chimici, essendo la letteratura a riguardo limitata, a differenza di quella relativa alle simulazioni puramente fluidodinamiche.

Simulazioni multifase del flusso di iniettori per applicazioni a motori gdi

Questo lavoro si concentra sullo studio fluidodinamico del flusso multifase cavitante di un iniettore per applicazioni a motori ad iniezione diretta (GDI). L’analisi è stata svolta tramite l’uso del software CFD (Computational Fluid Dynamics) Star-CCM+^® sviluppato da CD-ADAPCO. L’obiettivo di questo studio è investigare i motivi che portano ad un diverso comportamento tra i rilievi della prova sperimentale di caratterizzazione dell’iniettore e quanto atteso dai valori nominali dettati dalla specifica dell’iniettore, con particolare riferimento alla distribuzione di portata fra i diversi ugelli. Il presente lavoro fa parte di una coppia di elaborati collegati tra loro e, pertanto, ha inoltre lo scopo di fornire dati utili allo sviluppo dell’altro tema di analisi mirato alla individuazione di parametri di qualità della miscela aria-combustibile non reagente utili alla previsione della formazione del particolato prodotto dalla combustione di un motore GDI. L’elaborato, costituito di 5 capitoli, è strutturato secondo lo schema sottostante. Nel capitolo 1 vengono presentate le motivazioni che lo hanno avviato e viene esposto lo stato dell’arte della tecnologia GDI. Il capitolo 2 è a sfondo teorico: in esso vengono riportati i fondamenti del processo di cavitazione nella prima parte e i modelli numerici utilizzati nell’analisi nella seconda. Il capitolo 3 descrive la modellazione e successiva validazione dei modelli tramite confronto con il test case ‘Comprensive hydraulic and flow field documentation in model throttle experiments under cavitation conditions’ (E. Winklhofer, 2001). Nella scelta dei modelli e dei parametri relativi, l’analisi si è basata su precedenti lavori trovati in letteratura. Successivamente è stato svolto uno studio di sensibilità per valutare la stabilità della soluzione a piccole variazioni nei valori dei parametri. La scelta dei parametri modellistici nel caso di interesse, l’iniettore multihole, si è basata inizialmente sui valori ‘ottimali’ ottenuti nel test case ed è l’argomento del capitolo 4. All’interno del capitolo si parla inoltre dell’analisi di sensibilità successiva, svolta con lo scopo di comprendere i motivi che portano allo sbilanciamento tra fori corrispondenti e al maggiore sviluppo del getto centrale rispetto agli altri. Nel capitolo 5 dopo un breve riepilogo dei punti fondamentali trattati nello svolgimento dell’elaborato, si tirano le conclusioni sull’analisi e si espongono gli sviluppi futuri.

Dust tracking techniques applied to the STARDUST facility: First results

An important issue related to future nuclear fusion reactors fueled with deuterium and tritium is the creation of large amounts of dust due to several mechanisms (disruptions, ELMs and VDEs). The dust size expected in nuclear fusion experiments (such as ITER) is in the order of microns (between 0.1 and 1000 μm). Almost the total amount of this dust remains in the vacuum vessel (VV). This radiological dust can re-suspend in case of LOVA (loss of vacuum accident) and these phenomena can cause explosions and serious damages to the health of the operators and to the integrity of the device. The authors have developed a facility, STARDUST, in order to reproduce the thermo fluid-dynamic conditions comparable to those expected inside the VV of the next generation of experiments such as ITER in case of LOVA. The dust used inside the STARDUST facility presents particle sizes and physical characteristics comparable with those that created inside the VV of nuclear fusion experiments. In this facility an experimental campaign has been conducted with the purpose of tracking the dust re-suspended at low pressurization rates (comparable to those expected in case of LOVA in ITER and suggested by the General Safety and Security Report ITER-GSSR) using a fast camera with a frame rate from 1000 to 10,000 images per second. The velocity fields of the mobilized dust are derived from the imaging of a two-dimensional slice of the flow illuminated by optically adapted laser beam. The aim of this work is to demonstrate the possibility of dust tracking by means of image processing with the objective of determining the velocity field values of dust re-suspended during a LOVA.

The MESH book : landscape / infrastructure

Resulting from a series of student-run 'Edge' conferences that have been held in Australia and New Zealand (beginning at RMIT in 1983), The Mesh Book is a collection of essays grouped into themes of Invisible Infrastructures (systems of belief), Immanent Infrastructures (natural systems) and Present Infrastructures (roads and services). Ranging from esoteric discussions to analytical case studies, the book assembles a broad spectrum of ideas on the landscape within the context of Australia and a contemporary study of place.

Gateways placement in backbone wireless mesh networks

This paper presents a novel algorithm for the gateway placement problem in Backbone Wireless Mesh Networks (BWMNs). Different from existing algorithms, the new algorithm incrementally identifies gateways and assigns mesh routers to identified gateways. The new algorithm can guarantee to find a feasible gateway placement satisfying Quality-of-Service (QoS) constraints, including delay constraint, relay load constraint and gateway capacity constraint. Experimental results show that its performance is as good as that of the best of existing algorithms for the gateway placement problem. But, the new algorithm can be used for BWMNs that do not form one connected component, and it is easy to implement and use.

A point interpolation method with locally smoothed strain field (PIM-LS2) for mechanics problems using triangular mesh

A point interpolation method with locally smoothed strain field (PIM-LS2) is developed for mechanics problems using a triangular background mesh. In the PIM-LS2, the strain within each sub-cell of a nodal domain is assumed to be the average strain over the adjacent sub-cells of the neighboring element sharing the same field node. We prove theoretically that the energy norm of the smoothed strain field in PIM-LS2 is equivalent to that of the compatible strain field, and then prove that the solution of the PIM- LS2 converges to the exact solution of the original strong form. Furthermore, the softening effects of PIM-LS2 to system and the effects of the number of sub-cells that participated in the smoothing operation on the convergence of PIM-LS2 are investigated. Intensive numerical studies verify the convergence, softening effects and bound properties of the PIM-LS2, and show that the very ‘‘tight’’ lower and upper bound solutions can be obtained using PIM-LS2.

Biomimetic tubular nanofiber mesh and platelet rich plasma-mediated delivery of BMP-7 for large bone defect regeneration.

There is a growing need for successful bone tissue engineering strategies and advanced biomaterials that mimic the structure and function of native tissues carry great promise. Successful bone repair approaches may include an osteoconductive scaffold, osteoinductive growth factors, cells with an osteogenic potential and capacity for graft vascularisation. To increase osteoinductivity of biomaterials, the local combination and delivery of growth factors has been developed. In the present study we investigated the osteogenic effects of calcium phosphate (CaP)-coated nanofiber mesh tube-mediated delivery of BMP-7 from a PRP matrix for the regeneration of critical sized segmental bone defects in a small animal model. Bilateral full-thickness diaphyseal segmental defects were created in twelve male Lewis rats and nanofiber mesh tubes were placed around the defect. Defects received either treatment with a CaP-coated nanofiber mesh tube (n = 6), an un-coated nanofiber mesh tube (n=6) a CaP-coated nanofiber mesh tube with PRP (n=6) or a CaP-coated nanofiber mesh tube in combination with 5 μg BMP-7 and PRP (n = 6). After 12 weeks, bone volume and biomechanical properties were evaluated using radiography, microCT, biomechanical testing and histology. The results demonstrated significantly higher biomechanical properties and bone volume for the BMP group compared to the control groups. These results were supported by the histological evaluations, where BMP group showed the highest rate of bone regeneration within the defect. In conclusion, BMP-7 delivery via PRP enhanced functional bone defect regeneration, and together these data support the use of BMP-7 in the treatment of critical sized defects.

Adaptive finite element analysis of elliptic problems based on bubble-type local mesh generation

A new mesh adaptivity algorithm that combines a posteriori error estimation with bubble-type local mesh generation (BLMG) strategy for elliptic differential equations is proposed. The size function used in the BLMG is defined on each vertex during the adaptive process based on the obtained error estimator. In order to avoid the excessive coarsening and refining in each iterative step, two factor thresholds are introduced in the size function. The advantages of the BLMG-based adaptive finite element method, compared with other known methods, are given as follows: the refining and coarsening are obtained fluently in the same framework; the local a posteriori error estimation is easy to implement through the adjacency list of the BLMG method; at all levels of refinement, the updated triangles remain very well shaped, even if the mesh size at any particular refinement level varies by several orders of magnitude. Several numerical examples with singularities for the elliptic problems, where the explicit error estimators are used, verify the efficiency of the algorithm. The analysis for the parameters introduced in the size function shows that the algorithm has good flexibility.

The microwell-mesh: A novel device and protocol for the high throughput manufacturing of cartilage microtissues

Microwell platforms are frequently described for the efficient and uniform manufacture of 3-dimensional (3D) multicellular microtissues. Multiple partial or complete medium exchanges can displace microtissues from discrete microwells, and this can result in either the loss of microtissues from culture, or microtissue amalgamation when displaced microtissues fall into common microwells. Herein we describe the first microwell platform that incorporates a mesh to retain microtissues within discrete microwells; the microwell-mesh. We show that bonding a nylon mesh with an appropriate pore size over the microwell openings allows single cells to pass through the mesh into the microwells during the seeding process, but subsequently retains assembled microtissues within discrete microwells. To demonstrate the utility of this platform, we used the microwell-mesh to manufacture hundreds of cartilage microtissues, each formed from 5 × 10(3) bone marrow-derived mesenchymal stem/stromal cells (MSC). The microwell-mesh enabled reliable microtissue retention over 21-day cultures that included multiple full medium exchanges. Cartilage-like matrix formation was more rapid and homogeneous in microtissues than in conventional large diameter control cartilage pellets formed from 2 × 10(5) MSC each. The microwell-mesh platform offers an elegant mechanism to retain microtissues in microwells, and we believe that this improvement will make this platform useful in 3D culture protocols that require multiple medium exchanges, such as those that mimic specific developmental processes or complex sequential drug exposures.

Implementation of Art1 and Art2 Artificial Neural Networks on Ring and Mesh Architectures

The Artificial Neural Networks (ANNs) are being used to solve a variety of problems in pattern recognition, robotic control, VLSI CAD and other areas. In most of these applications, a speedy response from the ANNs is imperative. However, ANNs comprise a large number of artificial neurons, and a massive interconnection network among them. Hence, implementation of these ANNs involves execution of computer-intensive operations. The usage of multiprocessor systems therefore becomes necessary. In this article, we have presented the implementation of ART1 and ART2 ANNs on ring and mesh architectures. The overall system design and implementation aspects are presented. The performance of the algorithm on ring, 2-dimensional mesh and n-dimensional mesh topologies is presented. The parallel algorithm presented for implementation of ART1 is not specific to any particular architecture. The parallel algorithm for ARTE is more suitable for a ring architecture.

Mesh-free approximations via the error reproducing kernel method and applications to nonlinear systems developing shocks

Error estimates for the error reproducing kernel method (ERKM) are provided. The ERKM is a mesh-free functional approximation scheme [A. Shaw, D. Roy, A NURBS-based error reproducing kernel method with applications in solid mechanics, Computational Mechanics (2006), to appear (available online)], wherein a targeted function and its derivatives are first approximated via non-uniform rational B-splines (NURBS) basis function. Errors in the NURBS approximation are then reproduced via a family of non-NURBS basis functions, constructed using a polynomial reproduction condition, and added to the NURBS approximation of the function obtained in the first step. In addition to the derivation of error estimates, convergence studies are undertaken for a couple of test boundary value problems with known exact solutions. The ERKM is next applied to a one-dimensional Burgers equation where, time evolution leads to a breakdown of the continuous solution and the appearance of a shock. Many available mesh-free schemes appear to be unable to capture this shock without numerical instability. However, given that any desired order of continuity is achievable through NURBS approximations, the ERKM can even accurately approximate functions with discontinuous derivatives. Moreover, due to the variation diminishing property of NURBS, it has advantages in representing sharp changes in gradients. This paper is focused on demonstrating this ability of ERKM via some numerical examples. Comparisons of some of the results with those via the standard form of the reproducing kernel particle method (RKPM) demonstrate the relative numerical advantages and accuracy of the ERKM.