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This PhD work arises from the necessity to give a contribution to the energy saving field, regarding automotive applications. The aim was to produce a multidisciplinary work to show how much important is to consider different aspects of an electric car realization: from innovative materials to cutting-edge battery thermal management systems (BTMSs), also dealing with the life cycle assessment (LCA) of the battery packs (BPs). Regarding the materials, it has been chosen to focus on carbon fiber composites as their use allows realizing light products with great mechanical properties. Processes and methods to produce carbon fiber goods have been analysed with a special attention on the university solar car Emilia 4. The work proceeds dealing with the common BTMSs on the market (air-cooled, cooling plates, heat pipes) and then it deepens some of the most innovative systems such as the PCM-based BTMSs after a previous experimental campaign to characterize the PCMs. After that, a complex experimental campaign regarding the PCM-based BTMSs has been carried on, considering both uninsulated and insulated systems. About the first category the tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs; the insulated tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs and both of these systems equipped with a liquid cooling circuit. The choice of lighter building materials and the optimization of the BTMS are strategies which helps in reducing the energy consumption, considering both the energy required by the car to move and the BP state of health (SOH). Focusing on this last factor, a clear explanation regarding the importance of taking care about the SOH is given by the analysis of a BP production energy consumption. This is why a final dissertation about the life cycle assessment (LCA) of a BP unit has been presented in this thesis.

This PhD work arises from the necessity to give a contribution to the energy saving field, regarding automotive applications. The aim was to produce a multidisciplinary work to show how much important is to consider different aspects of an electric car realization: from innovative materials to cutting-edge battery thermal management systems (BTMSs), also dealing with the life cycle assessment (LCA) of the battery packs (BPs). Regarding the materials, it has been chosen to focus on carbon fiber composites as their use allows realizing light products with great mechanical properties. Processes and methods to produce carbon fiber goods have been analysed with a special attention on the university solar car Emilia 4. The work proceeds dealing with the common BTMSs on the market (air-cooled, cooling plates, heat pipes) and then it deepens some of the most innovative systems such as the PCM-based BTMSs after a previous experimental campaign to characterize the PCMs. After that, a complex experimental campaign regarding the PCM-based BTMSs has been carried on, considering both uninsulated and insulated systems. About the first category the tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs; the insulated tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs and both of these systems equipped with a liquid cooling circuit. The choice of lighter building materials and the optimization of the BTMS are strategies which helps in reducing the energy consumption, considering both the energy required by the car to move and the BP state of health (SOH). Focusing on this last factor, a clear explanation regarding the importance of taking care about the SOH is given by the analysis of a BP production energy consumption. This is why a final dissertation about the life cycle assessment (LCA) of a BP unit has been presented in this thesis.

This dataset contains the observations of air quality collected within one experimental campaign conducted in August 2018 at Lazzaretto campus of the University of Bologna to verify the effectiveness of photocatalytic coatings in reducing pollutant concentrations. The dataset also contains the meteorological data collected during non-synoptic periods, representing the ideal condition to assess the behavior of the local circulation and turbulence. This experimental field campaign was conducted under WP3 (“Planning and evaluation of PCS solutions”) of the iSCAPE project. Briefly, two parallel street canyons were instrumented for measurements of meteorology and turbulence variables at two height levels, while pollutant concentrations were monitored at ground level inside both canyons. After a first period of parallel contemporary measurements to verify the presence of intrinsic differences between the two canyons, one of the two canyons (Canyon A) was painted with photocatalytic coatings, while the other (Canyon B) was left untouched and used as reference canyon. This dataset is linked to the paper “The effect of photocatalytic coatings on NOx concentrations in real-world street canyons” by Brattich E. et al., which has been submitted for publication on “Science of the Total Environment” edited by Elsevier. If you use this dataset for your research or work purposes, we ask that you acknowledge us in the use of your data, which can be done by including a proper citation in any documents or publications using these data.

This dataset contains the observations of air quality collected within two experimental campaigns conducted in summer 2017 (07 August 2017-26 September 2017) and winter 2018 (15 January 2018-15 February 2018) in two street canyons in the city of Bologna, to verify the effectiveness of vegetation in altering ventilation levels and pollutant concentration in real-world street canyons. The dataset also contains the meteorological data collected during non-synoptic periods, representing the ideal condition to assess the behavior of the local circulation and turbulence. The experimental field campaigns were setup under WP3 (“Planning and evaluation of PCS solutions”) and conducted under WP5 (“Monitoring and Evaluation of the Interventions”) of the iSCAPE project. Briefly, two parallel urban street canyons characterized by a different occurrence of vegetation, i.e. one almost free of vegetation (Marconi St.) and one with a tree line along both sides of the street (Laura Bassi St.), were instrumented for measurements of meteorology and turbulence variables at three height levels, while pollutant concentrations were monitored at ground level inside both canyons. This dataset is linked to the paper “Disentangling the effect of vegetation on ventilation and air quality in urban street canyons: the Bologna iSCAPE experimental campaigns” by Di Sabatino et al., which will be submitted for publication on “Science of the Total Environment” edited by Elsevier, and to the paper “Characteristic Scales for Turbulent Exchange Processes in a Real Urban Canopy” by Barbano et al., which is under review for publication on “Boundary-Layer Meteorology” edited by Springer. If you use this dataset for your research or work purposes, we ask that you acknowledge us in the use of your data, which can be done by including a proper citation in any documents or publications using these data.

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value., Questa tesi si è posta l'obiettivo di migliorare il codice commerciale CFD Ansys Fluent, per ottenere un solutore in grado di compiere simulazioni accurate di flussi in ebollizione nel regime slug flow. Un codice numerico affidabile permette una miglior comprensione della dinamica della bolla causata dall'evaporazione, rendendo possibile la stima dello scambio termico alla parete. Per limitare il costo computazionale delle simulazioni, il problema è modellato con una formulazione assialsimmetrica. Le fasi liquido e vapore sono incomprimibili ed in moto laminare. Attraverso un approccio di tipo single fluid, le equazioni che governano il moto sono scritte come per un flusso a fase singola, tuttavia discontinuità ed effetti di interfaccia vanno introdotti e discretizzati propriamente. Fluent dispone di una tecnica di tipo Volume-of-Fluid per l'avvezione dell'interfaccia e per mappare le discontinue proprietà del fluido su tutto il dominio. Nello slug flow gli effetti di interfaccia sono dominanti, di conseguenza l'accuratezza con cui essi sono calcolati è fondamentale per la veridicità del solutore. A tale scopo, sono state introdotte nel codice numerico delle funzioni esterne, sviluppate appositamente per il calcolo della tensione superficiale e dello scambio di massa ed energia all'interfaccia come conseguenza dell'evaporazione. Le migliori prestazioni del codice modificato rispetto a quello originale sono dimostrate attraverso numerosi casi test. Per provare la validità del nuovo codice numerico nella riproduzione di reali configurazioni di flusso, sono stati simulati diversi flussi adiabatici ed il confronto con i risultati sperimentali è molto positivo. La simulazione dell'evaporazione di una bolla singola evidenzia che la convezione transitoria nel liquido, successivamente al passaggio della bolla, ha un effetto dominante sul coefficiente di scambio termico globale. La simulazione di bolle multiple che evaporano in sequenza mostra che la loro influenza r

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value., Questa tesi si è posta l'obiettivo di migliorare il codice commerciale CFD Ansys Fluent, per ottenere un solutore in grado di compiere simulazioni accurate di flussi in ebollizione nel regime slug flow. Un codice numerico affidabile permette una miglior comprensione della dinamica della bolla causata dall'evaporazione, rendendo possibile la stima dello scambio termico alla parete. Per limitare il costo computazionale delle simulazioni, il problema è modellato con una formulazione assialsimmetrica. Le fasi liquido e vapore sono incomprimibili ed in moto laminare. Attraverso un approccio di tipo single fluid, le equazioni che governano il moto sono scritte come per un flusso a fase singola, tuttavia discontinuità ed effetti di interfaccia vanno introdotti e discretizzati propriamente. Fluent dispone di una tecnica di tipo Volume-of-Fluid per l'avvezione dell'interfaccia e per mappare le discontinue proprietà del fluido su tutto il dominio. Nello slug flow gli effetti di interfaccia sono dominanti, di conseguenza l'accuratezza con cui essi sono calcolati è fondamentale per la veridicità del solutore. A tale scopo, sono state introdotte nel codice numerico delle funzioni esterne, sviluppate appositamente per il calcolo della tensione superficiale e dello scambio di massa ed energia all'interfaccia come conseguenza dell'evaporazione. Le migliori prestazioni del codice modificato rispetto a quello originale sono dimostrate attraverso numerosi casi test. Per provare la validità del nuovo codice numerico nella riproduzione di reali configurazioni di flusso, sono stati simulati diversi flussi adiabatici ed il confronto con i risultati sperimentali è molto positivo. La simulazione dell'evaporazione di una bolla singola evidenzia che la convezione transitoria nel liquido, successivamente al passaggio della bolla, ha un effetto dominante sul coefficiente di scambio termico globale. La simulazione di bolle multiple che evaporano in sequenza mostra che la loro influenza r

Scopo del presente elaborato è l’indagine tramite simulazione numerica delle strutture vorticose che si generano in coda a un’auto solare. La parte iniziale del lavoro è stata dedicata a una ricerca bibliografica di pubblicazioni scientifiche che inquadrassero le principali problematiche di carattere aerodinamico per gli autoveicoli. La seconda parte del lavoro ha riguardato la generazione di una griglia computazionale su cui risolvere il problema numerico, il programma usato per la generazione della griglia è Hexpress disponibile gratuitamente per studenti universitari. La successiva fase del lavoro è stata impiegata nella scrittura di un codice per Openfoam, uno dei principali pacchetti scientifici in linguaggio C++, in cui è disponibile una libreria di solutori ai volumi finiti applicabile a una vasta gamma di problemi fisici. Prima di applicare il codice all’auto solare si è provveduto a implementarlo sul corpo di Ahmed, sono stati implementati tre diversi modelli di turbolenza di tipo RANS: k-omegaSST, realizable k-epsilon e RNG k-epsilon, i risultati ottenuti sono dunque stati validati con i dati sperimentali disponibili sul database Ercoftac. Sempre sul corpo di Ahmed si è proceduto alla visualizzazione delle strutture vorticose che si generano nella scia con diversi metodi tra cui il criterio Q e λ2. E' stata calcolata una soluzione numerica anche per una simulazione di tipo DES (Detached Eddy Simulation) evidenziando una forte instabilità delle strutture vorticose. Il codice Openfoam è stato infine implementato nella griglia computazionale precedentemente generata per l’auto solare, si è utilizzato il modello di turbolenza k-omegaSST; ne sono state visualizzate anche qui le strutture vorticose analogamente al corpo di Ahmed. E' stata lanciata anche una simulazione con equazioni di tipo DES sulla medesima griglia, ma non si è raggiunta una soluzione convergente.

L’inquinamento atmosferico è uno dei problemi più dibattuto negli ultimi anni, perciò aumentano sempre più le strategie politiche atte a finanziare la ricerca e lo sviluppo di tecnologie che contengano le emissioni di inquinanti in atmosfera. Lo sviluppo di veicoli elettrici è uno dei principali protagonisti, interessando anche il Trasporto Pubblico Locale. Per favorirne la diffusione, è fondamentale ridurre il costo della batteria elettrica: occorre produrre batterie in grado di avere una vita lunga, di essere utilizzate in applicazioni di second life al termine della loro prima vita utile e prevedere un processo di montaggio quanto più semplice ed automatizzato possibile. Inoltre è necessario corredare il pacco batterie di un opportuno Battery Thermal Management System, poiché le sue prestazioni ed il suo State Of Health sono estremamente influenzate dalla temperatura. L’oggetto del lavoro di tesi è la modellazione di un pacco batterie destinato all’alimentazione di un autobus elettrico prodotto da Industria Italiana Autobus. Il pacco batterie è figlio del progetto LiBER (Lithium Battery Emilia Romagna), in collaborazione con l’Università di Bologna, che prevede un innovativo sistema di assemblaggio automatico. Il modello del pacco batteria e del carico termico è stato realizzato avvalendosi del software Simulink. Il modello è stato completato con il BTMS e le logiche di funzionamento che regolano l'unità di controllo. Sono state effettuate diverse simulazioni, per prevedere il comportamento termico della batteria dell’autobus sottoposto a differenti carichi termici e condizioni ambientali. Il modello è estremamente adattabile: è sufficiente inserire il profilo di velocità del ciclo guida e pochi altri dati per poter simulare una grande varietà di situazioni. Il modello dovrà in futuro essere validato, poiché al momento tali batterie elettriche non sono entrate in produzione poichè ancora oggetto di ricerca.

Un campo termico uniforme nel volume del forno permette una cottura omogenea indipendentemente dalla posizione del cibo. Quindi la valutazione, lo studio e la simulazione del campo termico diventano fondamentali per determinare l'efficienza del forno. Scopo del presente elaborato è un’analisi CFD per simulare la convezione naturale all’interno di un forno domestico da 45litri. Per effettuare questa analisi CFD si è usato il software commerciale STARCCM+ che permette di generare griglie di calcolo e visualizzare i risultati della simulazione.Nel primo capitolo verrà esposto lo stato dell'arte relativo ai processi base che caratterizzano la fluidodinamica dei forni secondo la letteratura scientifica.Nel secondo capitolo si passa ad un’esposizione più rigorosa delle equazioni che governano la dinamica dei fluidi, soffermandosi con particolare riferimento alla dinamica della turbolenza in quanto è uno dei fenomeni più comuni che osserviamo nella nostra esperienza quotidiana. Come si potrà osservare non è facilmente percorribile una soluzione analitica delle equazioni esposte per cui nel terzo capitolo si è esposta la teoria che sta dietro una risoluzione numerica di un problema alle derivate parziali con particolare riferimento al metodo dei volumi finiti per la discretizzazione delle equazioni. Nel quarto capitolo viene mostrato il processo di simulazione numerica sulla geometria del forno, tale processo vede in primo luogo la discretizzazione del dominio attraverso una griglia computazionale con particolare attenzione a quelli che sono i parametri che descrivono la qualità della griglia. Viene generata una griglia poliedrica con procedura semiautomatica di raffinamento. Sempre nel quarto capitolo si illustrano i risultati ottenuti a seguito della simulazione con opportune figure e tramite operazioni di post-processing si evidenzierà il comportamento termico del forno, confrontando varie configurazioni, al fine di ottenere l'uniformità all'interno del forno.

In this study we developed many experiment about battery cooling method, by focusing our attenction on Phase Change Material. The result showed that by charging Phase change materials with metal foam heat exchange can be improved.

Con il passare degli anni stiamo assistendo ad inesorabili aumenti delle emissioni di inquinanti in tutte le città del mondo. Questo fenomeno influisce inevitabilmente sulla la qualità della vita. Accade sempre più spesso, sopratutto nei mesi invernali, quando i livelli di concentrazione di inquinanti superano i valori massimi consentiti, di assistere a divieti di circolazione dei veicoli con motore a combustione interna. Infatti gran parte degli inquinanti emessi a livello strada sono prodotti dalle automobili. Nell’industria automobilistica i formati più utilizzati sono 18650, 26650 e 21700; i primi due numeri di queste sigle indicano il diametro della cella, le ultime tre l’altezza, naturalmente espressa in mm. La problematica principale di questi sistemi è la gestione termica, infatti le batterie sia durante le fasi di scarica che quelle di carica liberano calore. Il raffreddamento delle batterie è dunque di estrema importanza dal momento che le prestazione della batteria stessa sono influenzate dalla temperatura; occorre dunque progettare sistemi di gestione termica della batteria (BTMS) via via sempre più efficienti al fine di mantenere le batterie all’ interno del corretto range di temperatura e ridurre al minimo i gradienti di temperatura. In questo lavoro di tesi viene introdotto un approccio alla termofluidodinamica computazionale (CFD) per simulare il comportamento termico dei moduli elementari di batterie, ovvero i brick, i quali vanno a poi a comporre il BP. Si inizierà studiando il comportamento di una singola cella per poi passare al comportamento del brick stesso; si confronteranno due diversi tipologie di raffreddamento, una ad aria ed uno a liquido (HFE7100). Al fine di ottenere valori ottimali di portate in ingresso si utilizzeranno software che implementano algoritmi di sampling e di ottimizzazione. Infine si è progettato un collettore per il fluido andando ad ottimizzare le portate in uscita in modo da ottenere valori uguali su ciascuna uscita.

Analisi di sicurezza funzionale di un pacco batteria agli ioni di litio che può essere utilizzata nel campo dell’automotive. Studio delle celle agli ioni di litio e della loro sicurezza e individuazione degli eventi pericolosi in cui si può incorrere durante il loro utilizzo. Elaborazione di un modello funzionale che descriva il sistema, i suoi componenti, le funzioni che devono svolgere durante il normale funzionamento, le interfacce e le modalità operative. Identificazione degli hazard e assegnazione del corrispondente ASIL (Automotive Safety Integrity Level) e safety goal. Analisi delle interfacce attraverso l'utilizzo della metodologia FMEA e identificazione delle mitigazioni necessarie per diminuire il rischio o l'esposizione. Definizione del safety concept del sistema attraverso l'identificazione dei functional safety requirements, requisiti di basso livello, che devono essere associati ai rispettivi componenti del sistema.

Quest’attività di tesi portava con sé numerosi obbiettivi, primo tra tutti la conoscenza della galleria del vento. Questa è servita per tutta la fase sperimentale dell'acquisizione delle misure. L’iniziale fase di ricerca ha riguardato la classificazione delle gallerie del vento. Altre ricerche hanno interessato gli strumenti che più comunemente si utilizzano per le misure di velocità. Successivamente si è passati alla parte sperimentale vera a propria. Tramite l’uso di un tubo di Pitot, sono state eseguite diverse misure di velocità nella camera di prova della galleria del vento per frequenze da 5 Hz a 40 Hz. Questo lavoro ha portato alla caratterizzazione della galleria: con i risultati ottenuti è stato possibile tracciare grafici 2D e 3D dell’andamento delle velocità. Nella seconda parte sperimentale è stata usata la tecnologia PIV, per analizzare il flusso intorno a un cilindro con frequenze dai 5 Hz ai 20 Hz. Tramite il software FlowManager che gestiva il laser e i dispositivi fotografici è stato possibile acquisire fotogrammi del flusso che si scontrava contro l'ostacolo. Con un lavoro di post-processing si è arrivati ad ottenere mappe 3D dei campi di velocità. La terza ed ultima parte sperimentale ha riguardato nuove misure con la tecnica PIV, alle stesse frequenze considerate nella fase precedente, ma questa volta l'ostacolo impiegato è stato il modello in scala 1:18 dell'automobile solare Emilia4, sviluppata dal team Onda Solare. In particolare, si sono voluti indagare i fenomeni turbolenti che avvengono in coda all'auto.Le difficoltà in questo caso sono state maggiori a causa di fenomeni di mescolamento tra flussi, per vortici 3D di complicata analisi dalla tecnologia stereo-PIV e perché il flusso era notevolmente più turbolento. Il conclusivo calcolo dei numeri di Reynolds per entrambi i casi (flusso intorno al cilindro e in coda all'auto) ha permesso un confronto con i casi presenti in letteratura ed ha validato le sperimentazioni.

Crude oils are complex mixtures of hydrocarbons. Among these components, high molecular weight paraffin (waxes) and asphaltenes may cause severe flow assurance issues in production and transportation subsea pipeline systems. Wax molecules are dissolved in the crude oil, when the temperature decreases, the solubility of high molecular weight paraffins decreases rapidly, and this results in the formation of gels of complex morphology, that deposit on the cold walls of the subsea pipelines during the flow of waxy crude oils, and this is a big problem for the subsea pipelines. The cost of wax management is enormous and rapidly increasing because of increased oil production in deep-sea areas. In this work, is presented a new numerical model for predicting wax deposition in oil pipes. While the almost part of the models existing in the literature are based on a separated two-fluid description of the oil/wax-oil flow, the model proposed is based on a mixture description, where wax is considered as a suspended phase surrounded by crude oil. When wax separates in the crude oil, the mixture becomes a gel-like fluid, and this mechanism is incorporated in the flow model by a specific rheological model where the mixture viscosity depends on both the local wax concentration and its “age”. In order to simultaneously model moving regions of different “ages”, our model solves a transport equation for the ageing time. Deposition is modelled by solving wax mass balance, dissolved asphaltenes mass balance, and energy. Wax generation and asphaltenes removal are modelled as a first-order reaction coupling mass balance between the species, where the local equilibrium saturation is given as a function of the mixture temperature. In this work, is present the implementation of the model in the open-source C++ library OpenFOAM and validation of the model between some similar works. Besides a discussion of the results for wax deposition and a parametric study about the critical parameters.

Il fine ultimo dell' elaborato consiste nello studio della correlazione vigente fra forze di galleggiamento e fenomeni di trasporto di inquinante. Si vuole osservare l'impatto degli effetti termici all'interno di uno street canyon sulla dispersione di CO. Sono stati impiegati dei software CFD al fine di condurre delle simulazioni numeriche che garantiscano, in brevi tempi di esecuzione, risultati affidabili e facilmente graficabili. La tesi è redatta in lingua inglese e articolata in sei capitoli. Il primo tratta una valutazione complessiva dei problemi legati all'inquinamento dell'aria, introducendo una classificazione delle entità urbane elementari chiamate street canyon. Viene studiata la fisica termofluidodinamica che genera le forze di galleggiamento come effetto termico. Nel secondo capitolo si fornisce un compendio del funzionamento dei codici di simulazione, descrivendo nel dettaglio le principali fasi caratteristiche e i software CFD utilizzati: HEXPRESS e STAR-CCM+. Il capitolo terzo illustra le specifiche dello studio in esame, ovvero la definizione delle simulazioni da lanciare e la descrizione dei vari livelli di modellazione considerati: il problema fisico, il dominio computazionale, la griglia di discretizzazione spaziale e il settaggio di risoluzione numerica. Nel quarto capitolo si specificano i criteri di convergenza iterativa impiegati e gli strumenti quantitativi e qualitativi per l'analisi grafica di post-processing. Successivamente vengono condotte tre accurate analisi di convergenza di griglia che permettono di individuare una mesh ottimale al fine di ottenere risultati numerici grid-independent. Il quinto capitolo espone i risultati ottenuti, analizzando la dipendenza della dispersione di inquinante da: velocità e direzione del vento, aspect ratio del canyon e soprattutto forze di galleggiamento generate da effetti termici. Infine, nel sesto capitolo si affermano le conclusioni più rilevanti, riassumendo tutti gli aspetti esplorati.

Si è studiata una procedura completamente open source per lo studio CFD del flusso sanguigno a partire da dati TAC, considerando il comportamento non newtoniano del sangue. La prima parte del progetto si è incentrata sulla validazione del codice implementato in Open-FOAM per la modellazione della reologia non Newtoniana secondo la legge di Casson, modello scelto per le proprietà del sangue. Si è riusciti con successo a validare il codice per diversi regimi di moto che vanno dal laminare al turbolento (col modello k-omega SST), ottenendo un buon accordo con le misurazioni sperimentali utilizzate per il confronto. La seconda parte invece prevedeva lo studio di un arco aortico reale, condotto con la collaborazione del Prof. Dott. Davide Pacini e del Dott. Lucio Careddu del Policlinico Sant’Orsola-Malpighi di Bologna, che hanno fornito le immagini TAC del caso studiato. La modellazione delle immagini TAC mediante ITK-SNAP e Meshlab ha permesso di produrre una superficie con una qualità sufficiente per poter essere utilizzata nel processo di generazione della griglia di calcolo mediante cfMesh. Ottenuta la mesh, si è passati a simularne il comportamento mediante Open-FOAM. Lo studio è stato impostato utilizzando curve reali di pressione e flusso volumetrico. Sono stati condotti due studi con due set di condizioni al contorno (Casi) diversi, per studiare la stabilità del codice e la sua capacità di sopperire alla mancanza di dati. Ogni Caso è stato poi analizzato con tre modelli fluidodinamici: modello laminare, modello k-kl-omega e modello k-omega SSTLM. Per tutti gli studi è stato condotto uno studio stazionario, considerando le pareti come perfettamente rigide (complianza trascurabile). I risultati ottenuti mostrano per ogni caso un ottimo accordo tra i vari modelli, confermando la validità delle ipotesi fatte. Inoltre i valori di flusso volumetrico calcolati sono in accordo con i dati sperimentali utilizzati, suggerendo la corretta conduzione delle analisi fatte.

Questo lavoro di tesi tratta la simulazione dinamica di sistemi HVAC per veicoli tramite il software Simulink. Obiettivo dell'elabora è quello di fornire uno strumento di previsione delle prestazioni di tali sistemi. Ad oggi nella progettazione si cerca di massimizzare l'efficienza e ridurre i consumi del sistema scegliendo i componenti più adeguati dai cataloghi dei costruttori. Cataloghi che riportano le prestazioni statiche di tali componenti, ovvero prestazioni che si riferiscono al comportamento testato in condizioni di progetto su banco prova. Questi sistemi però hanno un comportamento sempre off-design nel loro funzionamento in dinamico, ovvero una volta assemblati. Non è semplice simulare con un modello a parametri concentrati, come quello presentato in questo elaborato, un funzionamento dinamico così complesso ciò nonostante si è arrivati ad un buon risultato. Il modello è stato ottimizzato per la simulazione di sistemi HVAC montati su mezzi movimentazione terra, nello specifico per un miniescavatore. Grazie all'esperienza di tirocinio svolta presso l'azienda Sea-Italia è stato possibile non solo studiare i vari componenti del sistema scelto ma anche eseguire una prima validazione del modello dinamico grazie ai risultati sperimentali rilevati con un test in camera climatica presso l'azienda stessa.

La sempre più crescente urbanizzazione ha causato nelle città un continuo incremento di street canyon, dove ciò che predomina al loro interno è un accumulo di inquinanti, in particolare NOx, che potrebbero causare problemi alla salute dell’uomo. In questo contesto, le vernici fotocatalitiche a base di TiO2 applicate ai materiali da costruzione potrebbero trasformarsi in una soluzione interessante tanto da diventare parte integrante della strategia mirante a ridurre l’inquinamento ambientale. Questo progetto di tesi, si prefigge l’obiettivo di comprendere l’effetto che queste vernici hanno riguardo la dinamica e la dispersione degli inquinanti all’interno di uno street canyon urbano. Ai fini di questo studio, è stata scelta una zona urbana reale (la sede di Ingegneria in via Umberto Terracini a Bologna) che disponesse di due canyon paralleli, uno dei quali da tenere come confronto per le analisi effettuate. Tutti gli scenari sono stati simulati attraverso l’utilizzo di un codice di calcolo ritenuto un riferimento di buona tecnica per tali studi: il software Starccm+, il quale utilizza l’approccio CFD nello studio dei problemi fisici. I primi scenari simulati hanno avuto come obiettivo quello di studiare come l’effetto termico, la direzione e la velocità del vento influenzano la dispersione dell’inquinante nella geometria in esame. L’ultimo caso, invece, propone un modello capace di stimare l’effetto fotocatalitico delle vernici applicate alle pareti di uno solo dei due canyon; i dati sperimentali, in linea con il modello, hanno misurato una riduzione solo dello 0.5% circa. Questo risultato potrebbe essere però dovuto a fattori che potrebbero aver influenzato negativamente l’efficacia della vernice stessa: l’assenza di piogge, l’elevata umidità, la velocità non bassa del vento e la sua direzione obliqua rispetto al canyon verniciato, ma soprattutto il fatto che il canyon risultasse in parte in ombra durante il periodo di misurazione.

Le emissioni di sostanze inquinanti comportano l’alterazione della composizione chimica dell’atmosfera influenzando quindi la qualità dell’aria che respiriamo e la vivibilità in ambito urbano, e dalla quale derivano rischi per la salute e danni agli ecosistemi. Il traffico urbano insieme al riscaldamento civile durante l’inverno è oggi la principale fonte di inquinamento atmosferico in tutte le città. I modelli di simulazione della qualità dell’aria sono utilizzati come strumenti d’ausilio per i pianificatori urbani nella scelta delle azioni da intraprendere per la riduzione dell’inquinamento e il raggiungimento degli obiettivi sulla qualità dell’aria come definiti dalla normativa nazionale ed europea. In questo lavoro si è utilizzato il modello ADMS-Urban per la stima dei livelli di inquinamento di una zona di Bologna, Via Marconi e strade limitrofe per un area complessiva di circa 4 km2. Sono stati tenuti in considerazione i soli contributi emissivi dovuti al traffico veicolare. Per poter avere una stima il più possibile accurata delle emissioni che caratterizzano tale dominio, è stato costruito un parco auto partendo da dei conteggi diretti dei veicoli divisi per categoria circolanti in Via Marconi durante gli orari di punta di un giorno feriale (ore 8-9). I valori così ottenuti sono stati utilizzati per assegnare a ciascun arco stradale, tramite opportune valutazioni in cui si è tenuto in conto anche il volume di traffico complessivo che interessa ciascuna strada dichiarato dal Comune di Bologna, i valori di traffico caratteristici. Il profilo orario giornaliero del traffico è stato costruito tramite l’utilizzo di fattori di correzioni relativi a ciascun intervallo orario. Tali fattori sono ottenuti per via sperimentale e già utilizzati in vari enti per la costruzione degli inventari delle emissioni e rappresentano il peso del traffico di ogni intervallo orario nei giorni feriali, prefestivi e festivi rispetto all’orario di punta di un giorno feriale.

Negli ultimi anni l’applicazione di normative sempre più restrittive ha avuto un ruolo chiave per quanto riguarda l’evoluzione tecnologica in ambito industriale. Gli elevati standard energetici imposti da tali normative in più campi dell’industria hanno costretto le aziende a doversi confrontare con un problema oggi fondamentale: l’efficientamento energetico. La percezione che l’impatto ambientale di prodotti, risorse e servizi giocherà un ruolo determinante nel mondo del futuro sta portando le grandi aziende a cercare nuove strade per affrontare una tematica sempre più diffusa e condivisa dalla società moderna. Lo studio di tesi presentato si muove proprio in questa direzione: l’efficientamento energetico di un forno domestico nell’ambito della cottura dei cibi. In questo caso, l’obiettivo è quello di studiare numericamente il processo di cottura allo scopo di fornire elementi di conoscenza che aiutino il processo di ottimizzazione. Il risultato a cui si mira è quello di avere un minor consumo di energia a parità di qualità di cottura del cibo. L’azienda con la quale è stata stretta collaborazione è Smeg, leader mondiale nel settore elettrodomestico. Anche in tale ambito, gli standard energetici da soddisfare sono anno dopo anno più restrittivi e assolutamente neccessari affinchè il prodotto possa entrare sul mercato. Dunque, il dover soddisfare standard energetici sempre più elevati con metodologie che hanno un costo notevole rappresenta un problema. In questo senso, l’utilizzo della CFD può rappresentare una nuova strada da percorrere. La costruzione di un modello termofluidodinamico numerico può infatti dare importanti informazioni sul ’dove cercare’, e sinergicamente alle convenzionali metodologie di sviluppo può garantire un processo di ottimizzazione più efficace, con conseguente diminuzione dei costi.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello analizzare in regime di condizionamento estivo gli scambi termici che si verificano all’interno dell’abitacolo di un veicolo elettrico attraverso l’elaborazione di un modello di cabina che tenga conto degli apporti di calore entranti nella stessa al fine di fornire uno strumento di analisi energetica in regime non stazionario. Il condizionamento del veicolo viene effettuato da un sistema di Heating Ventilating and Air Conditioning (HVAC), il quale si occupa del riscaldamento, del raffrescamento e della ventilazione dell’abitacolo del veicolo per garantire il “comfort termico” dei passeggeri. La metodologia utilizzata è quella dell'analisi dei flussi energetici tramite un approccio a parametri concentrati (in ambiente Matlab-Simulink). La base di partenza è un codice realizzato precedentemente, al quale si vuole aggiungere una analisi più approfondita dei carichi dovuti all'irraggiamento solare; questo costituisce il contributo più significativo e critico, in quanto dipende da un numero di grandezze ambientali estremamente variabili nel tempo che occorre analizzare con cura al fine di simulare un modello che sia quanto più possibile preciso e vicino alla realtà. Mediante il seguente modello, è stato possibile determinare dinamicamente la temperatura dell'aria all'interno della cabina, la quale varierà in primo luogo a causa delle condizioni esterne a cui è sottoposta la cabina e a causa del funzionamento del gruppo frigorifero. Il codice è stato applicato a diverse traiettorie e in diversi momenti della giornata, nella località di Bologna: in particolare sono stati considerati quattro percorsi rettilinei in direzione sud, nord, est, ovest e un percorso reale effettuato sui viali di Bologna. La parte più rilevante dell’elaborato di tesi è dedicata alla definizione di un modello dinamico costituito dal gruppo HVAC e abitacolo da condizionare, focalizzando l’attenzione in particolare sulla modellazione della cabina.

Negli ultimi anni si è assistito ad una rapida evoluzione del settore automotive verso lo sviluppo di tecnologie elettriche nel tentativo di ridurre le emissioni di gas serra. Nei veicoli elettrici le batterie sono utilizzate come accumulatori di energia e quelle agli ioni di litio sono le più diffuse.Un parametro fondamentale per il funzionamento delle batterie è la temperatura operativa, pertanto il suo corretto controllo è essenziale dunque per mantenere la temperatura della batteria nell’intervallo di funzionamento ottimale, è necessario l’utilizzo di sistemi di raffreddamento o cold plate. Questo studio si concentra sull'analisi di un sistema di raffreddamento, percorso da un fluido termovettore, sul quale è posizionato un pacco batterie di forma prismatica. L'obiettivo è valutare le condizioni operative ottimali per massimizzare le prestazioni del sistema di raffreddamento. Il fluido termovettore è stato studiato tramite simulazioni CFD tramite STAR-CCM+. Nelle simulazioni eseguite sono stati fissati valori per le principali variabili del sistema: la portata in ingresso del fluido, la temperatura in ingresso e la potenza termica erogata dal pacco batterie. Sono stati analizzati due casi con diversi valori di potenza termica erogata dal pacco batterie, pari a 20W e 200W, per ciascun caso è stata studiata la risposta del sistema con diversi valori di portata in ingresso e fissando la temperatura del fluido in ingresso. Le simulazioni hanno permesso di determinare la distribuzione del campo di temperatura del fluido termovettore e della superficie di contatto tra il cold plate e il pacco batteria. I risultati mostrano come aumentando la portata del fluido in ingresso al sistema è maggiore la quantità di calore asportato e quindi si riduce la temperatura massima sulla superficie di contatto e la differenza di temperatura tra il fluido in ingresso e il fluido in uscita.

Questa tesi si basa sul lavoro di tirocinio che ho svolto al laboratorio di fisica tecnica dell’università di Bologna in cui ho cercato di ottimizzare, con l’ottica di un efficientamento energetico, sia il lato termico che quello fluidodinamico di un distributore di colla attraverso simulazioni CFD. Partendo da un sistema di partenza con svariate problematiche che portavano a consumi energetici eccessivi e non giustificati, l’obbiettivo finale è stato quello di proporre un apparato nuovo che ne ottimizzasse le prestazione, quelle cioè di un controllo sulla quantità di colla depositata da ogni ugello, riducendone le variazioni nel tempo e tra gli ugelli stessi e un controllo sulla temperatura, andando a ridurre il più possibile i consumi. È stato poi simulata la possibilità di inserire un mezzo poroso di tipo giroide all'interno del distributore per migliorare le performance termiche. Il pezzo è stato infine stampato 3D tramite tecnica additive manufactory e verrà testato in laboratorio

Il presente lavoro di tesi sperimentale descrive l’implementazione di tecniche di Image Processing e Machine Learning per il riconoscimento e l’analisi di micro-gocce in un fluido bifase. La prima parte dell’elaborato fornisce una panoramica dei temi trattati, in particolare riguardo la micro-fluidica in micro-canali, le tecniche di elaborazione delle immagini e l’addestramento di algoritmi per il riconoscimento di oggetti. Nella seconda parte vengono descritti l’esperimento svolto in laboratorio e l’algoritmo con cui sono state analizzate le micro-gocce. Infine, vengono illustrati e discussi i risultati ottenuti.

In campo energetico le sfide di Oggi e di Domani impongono il progressivo abbandono dei combustibili fossili sia per il miglioramento della qualità dell'aria che ogni anno miete milioni di vittime, sia per la crisi energetica che ultimamente l'Europa sta affrontando che per combattere il cambiamento climatico. Uno dei settori più impattanti è senza dubbio quello dei trasporti che ha visto negli ultimi vent'anni una considerevole diffusione di veicoli elettrici che necessitano di batterie performanti ed affidabili. Tra i parametri che più impattano sulla scelta di una batteria vi sono il rapporto peso-potenza, la vita media e il ciclo di carica e scarica. La tipologia di batteria più utilizzata in campo automotive è quella agli ioni di Litio cilindrica. Esse vengono raggruppate in moduli che vengono, poi, installati sull'autoveicolo. Uno dei parametri che più influenzano lo stato di salute di un pacco batterie, che a sua volta incide sulla sua affidabilità, è la temperatura della batteria stessa. Sia per motivi di sicurezza che per garantirne una durata adeguata, bisogna mantenere questa grandezza all'interno di un range di operabilità definito. Varie sono state le tecniche sperimentate per garantire una gestione termica efficace, dal più semplice raffreddamento ad aria all'utilizzo di sistemi ibridi con materiali innovativi. I materiali a cambiamento di fase (in inglese Phase change materials o PCMs) risultano particolarmente indicati per questo scopo in quanto, visto il loro punto di fusione che ricade all'interno del range di operabilità sopracitato, riescono ad accumulare una grande quantità di energia sotto forma di calore latente, mantenendo la temperatura ad un valore sufficientemente basso. Poche sono, in letteratura, le analisi CFD di tali sistemi. Lo scopo di questo studio è stato quello di validare un modello implementato nel software commerciale Star-CCM+ e di applicarlo ad un modulo di un sistema di gestione termica per batterie già esistente.

Un campo termico uniforme nel volume del forno permette una cottura omogenea indipendentemente dalla posizione del cibo. Quindi la valutazione, lo studio e la simulazione del campo termico diventano fondamentali per determinare l'efficienza del forno. Scopo del presente elaborato è un’analisi CFD per simulare la convezione naturale all’interno di un forno domestico da 45litri. Per effettuare questa analisi CFD si è usato il software commerciale STARCCM+ che permette di generare griglie di calcolo e visualizzare i risultati della simulazione.Nel primo capitolo verrà esposto lo stato dell'arte relativo ai processi base che caratterizzano la fluidodinamica dei forni secondo la letteratura scientifica.Nel secondo capitolo si passa ad un’esposizione più rigorosa delle equazioni che governano la dinamica dei fluidi, soffermandosi con particolare riferimento alla dinamica della turbolenza in quanto è uno dei fenomeni più comuni che osserviamo nella nostra esperienza quotidiana. Come si potrà osservare non è facilmente percorribile una soluzione analitica delle equazioni esposte per cui nel terzo capitolo si è esposta la teoria che sta dietro una risoluzione numerica di un problema alle derivate parziali con particolare riferimento al metodo dei volumi finiti per la discretizzazione delle equazioni. Nel quarto capitolo viene mostrato il processo di simulazione numerica sulla geometria del forno, tale processo vede in primo luogo la discretizzazione del dominio attraverso una griglia computazionale con particolare attenzione a quelli che sono i parametri che descrivono la qualità della griglia. Viene generata una griglia poliedrica con procedura semiautomatica di raffinamento. Sempre nel quarto capitolo si illustrano i risultati ottenuti a seguito della simulazione con opportune figure e tramite operazioni di post-processing si evidenzierà il comportamento termico del forno, confrontando varie configurazioni, al fine di ottenere l'uniformità all'interno del forno.

L’inquinamento atmosferico è uno dei problemi più dibattuto negli ultimi anni, perciò aumentano sempre più le strategie politiche atte a finanziare la ricerca e lo sviluppo di tecnologie che contengano le emissioni di inquinanti in atmosfera. Lo sviluppo di veicoli elettrici è uno dei principali protagonisti, interessando anche il Trasporto Pubblico Locale. Per favorirne la diffusione, è fondamentale ridurre il costo della batteria elettrica: occorre produrre batterie in grado di avere una vita lunga, di essere utilizzate in applicazioni di second life al termine della loro prima vita utile e prevedere un processo di montaggio quanto più semplice ed automatizzato possibile. Inoltre è necessario corredare il pacco batterie di un opportuno Battery Thermal Management System, poiché le sue prestazioni ed il suo State Of Health sono estremamente influenzate dalla temperatura. L’oggetto del lavoro di tesi è la modellazione di un pacco batterie destinato all’alimentazione di un autobus elettrico prodotto da Industria Italiana Autobus. Il pacco batterie è figlio del progetto LiBER (Lithium Battery Emilia Romagna), in collaborazione con l’Università di Bologna, che prevede un innovativo sistema di assemblaggio automatico. Il modello del pacco batteria e del carico termico è stato realizzato avvalendosi del software Simulink. Il modello è stato completato con il BTMS e le logiche di funzionamento che regolano l'unità di controllo. Sono state effettuate diverse simulazioni, per prevedere il comportamento termico della batteria dell’autobus sottoposto a differenti carichi termici e condizioni ambientali. Il modello è estremamente adattabile: è sufficiente inserire il profilo di velocità del ciclo guida e pochi altri dati per poter simulare una grande varietà di situazioni. Il modello dovrà in futuro essere validato, poiché al momento tali batterie elettriche non sono entrate in produzione poichè ancora oggetto di ricerca.

In this study we developed many experiment about battery cooling method, by focusing our attenction on Phase Change Material. The result showed that by charging Phase change materials with metal foam heat exchange can be improved.

Con il passare degli anni stiamo assistendo ad inesorabili aumenti delle emissioni di inquinanti in tutte le città del mondo. Questo fenomeno influisce inevitabilmente sulla la qualità della vita. Accade sempre più spesso, sopratutto nei mesi invernali, quando i livelli di concentrazione di inquinanti superano i valori massimi consentiti, di assistere a divieti di circolazione dei veicoli con motore a combustione interna. Infatti gran parte degli inquinanti emessi a livello strada sono prodotti dalle automobili. Nell’industria automobilistica i formati più utilizzati sono 18650, 26650 e 21700; i primi due numeri di queste sigle indicano il diametro della cella, le ultime tre l’altezza, naturalmente espressa in mm. La problematica principale di questi sistemi è la gestione termica, infatti le batterie sia durante le fasi di scarica che quelle di carica liberano calore. Il raffreddamento delle batterie è dunque di estrema importanza dal momento che le prestazione della batteria stessa sono influenzate dalla temperatura; occorre dunque progettare sistemi di gestione termica della batteria (BTMS) via via sempre più efficienti al fine di mantenere le batterie all’ interno del corretto range di temperatura e ridurre al minimo i gradienti di temperatura. In questo lavoro di tesi viene introdotto un approccio alla termofluidodinamica computazionale (CFD) per simulare il comportamento termico dei moduli elementari di batterie, ovvero i brick, i quali vanno a poi a comporre il BP. Si inizierà studiando il comportamento di una singola cella per poi passare al comportamento del brick stesso; si confronteranno due diversi tipologie di raffreddamento, una ad aria ed uno a liquido (HFE7100). Al fine di ottenere valori ottimali di portate in ingresso si utilizzeranno software che implementano algoritmi di sampling e di ottimizzazione. Infine si è progettato un collettore per il fluido andando ad ottimizzare le portate in uscita in modo da ottenere valori uguali su ciascuna uscita.

Analisi di sicurezza funzionale di un pacco batteria agli ioni di litio che può essere utilizzata nel campo dell’automotive. Studio delle celle agli ioni di litio e della loro sicurezza e individuazione degli eventi pericolosi in cui si può incorrere durante il loro utilizzo. Elaborazione di un modello funzionale che descriva il sistema, i suoi componenti, le funzioni che devono svolgere durante il normale funzionamento, le interfacce e le modalità operative. Identificazione degli hazard e assegnazione del corrispondente ASIL (Automotive Safety Integrity Level) e safety goal. Analisi delle interfacce attraverso l'utilizzo della metodologia FMEA e identificazione delle mitigazioni necessarie per diminuire il rischio o l'esposizione. Definizione del safety concept del sistema attraverso l'identificazione dei functional safety requirements, requisiti di basso livello, che devono essere associati ai rispettivi componenti del sistema.

Crude oils are complex mixtures of hydrocarbons. Among these components, high molecular weight paraffin (waxes) and asphaltenes may cause severe flow assurance issues in production and transportation subsea pipeline systems. Wax molecules are dissolved in the crude oil, when the temperature decreases, the solubility of high molecular weight paraffins decreases rapidly, and this results in the formation of gels of complex morphology, that deposit on the cold walls of the subsea pipelines during the flow of waxy crude oils, and this is a big problem for the subsea pipelines. The cost of wax management is enormous and rapidly increasing because of increased oil production in deep-sea areas. In this work, is presented a new numerical model for predicting wax deposition in oil pipes. While the almost part of the models existing in the literature are based on a separated two-fluid description of the oil/wax-oil flow, the model proposed is based on a mixture description, where wax is considered as a suspended phase surrounded by crude oil. When wax separates in the crude oil, the mixture becomes a gel-like fluid, and this mechanism is incorporated in the flow model by a specific rheological model where the mixture viscosity depends on both the local wax concentration and its “age”. In order to simultaneously model moving regions of different “ages”, our model solves a transport equation for the ageing time. Deposition is modelled by solving wax mass balance, dissolved asphaltenes mass balance, and energy. Wax generation and asphaltenes removal are modelled as a first-order reaction coupling mass balance between the species, where the local equilibrium saturation is given as a function of the mixture temperature. In this work, is present the implementation of the model in the open-source C++ library OpenFOAM and validation of the model between some similar works. Besides a discussion of the results for wax deposition and a parametric study about the critical parameters.

Questo lavoro di tesi tratta la simulazione dinamica di sistemi HVAC per veicoli tramite il software Simulink. Obiettivo dell'elabora è quello di fornire uno strumento di previsione delle prestazioni di tali sistemi. Ad oggi nella progettazione si cerca di massimizzare l'efficienza e ridurre i consumi del sistema scegliendo i componenti più adeguati dai cataloghi dei costruttori. Cataloghi che riportano le prestazioni statiche di tali componenti, ovvero prestazioni che si riferiscono al comportamento testato in condizioni di progetto su banco prova. Questi sistemi però hanno un comportamento sempre off-design nel loro funzionamento in dinamico, ovvero una volta assemblati. Non è semplice simulare con un modello a parametri concentrati, come quello presentato in questo elaborato, un funzionamento dinamico così complesso ciò nonostante si è arrivati ad un buon risultato. Il modello è stato ottimizzato per la simulazione di sistemi HVAC montati su mezzi movimentazione terra, nello specifico per un miniescavatore. Grazie all'esperienza di tirocinio svolta presso l'azienda Sea-Italia è stato possibile non solo studiare i vari componenti del sistema scelto ma anche eseguire una prima validazione del modello dinamico grazie ai risultati sperimentali rilevati con un test in camera climatica presso l'azienda stessa.

Il fine ultimo dell' elaborato consiste nello studio della correlazione vigente fra forze di galleggiamento e fenomeni di trasporto di inquinante. Si vuole osservare l'impatto degli effetti termici all'interno di uno street canyon sulla dispersione di CO. Sono stati impiegati dei software CFD al fine di condurre delle simulazioni numeriche che garantiscano, in brevi tempi di esecuzione, risultati affidabili e facilmente graficabili. La tesi è redatta in lingua inglese e articolata in sei capitoli. Il primo tratta una valutazione complessiva dei problemi legati all'inquinamento dell'aria, introducendo una classificazione delle entità urbane elementari chiamate street canyon. Viene studiata la fisica termofluidodinamica che genera le forze di galleggiamento come effetto termico. Nel secondo capitolo si fornisce un compendio del funzionamento dei codici di simulazione, descrivendo nel dettaglio le principali fasi caratteristiche e i software CFD utilizzati: HEXPRESS e STAR-CCM+. Il capitolo terzo illustra le specifiche dello studio in esame, ovvero la definizione delle simulazioni da lanciare e la descrizione dei vari livelli di modellazione considerati: il problema fisico, il dominio computazionale, la griglia di discretizzazione spaziale e il settaggio di risoluzione numerica. Nel quarto capitolo si specificano i criteri di convergenza iterativa impiegati e gli strumenti quantitativi e qualitativi per l'analisi grafica di post-processing. Successivamente vengono condotte tre accurate analisi di convergenza di griglia che permettono di individuare una mesh ottimale al fine di ottenere risultati numerici grid-independent. Il quinto capitolo espone i risultati ottenuti, analizzando la dipendenza della dispersione di inquinante da: velocità e direzione del vento, aspect ratio del canyon e soprattutto forze di galleggiamento generate da effetti termici. Infine, nel sesto capitolo si affermano le conclusioni più rilevanti, riassumendo tutti gli aspetti esplorati.

Si è studiata una procedura completamente open source per lo studio CFD del flusso sanguigno a partire da dati TAC, considerando il comportamento non newtoniano del sangue. La prima parte del progetto si è incentrata sulla validazione del codice implementato in Open-FOAM per la modellazione della reologia non Newtoniana secondo la legge di Casson, modello scelto per le proprietà del sangue. Si è riusciti con successo a validare il codice per diversi regimi di moto che vanno dal laminare al turbolento (col modello k-omega SST), ottenendo un buon accordo con le misurazioni sperimentali utilizzate per il confronto. La seconda parte invece prevedeva lo studio di un arco aortico reale, condotto con la collaborazione del Prof. Dott. Davide Pacini e del Dott. Lucio Careddu del Policlinico Sant’Orsola-Malpighi di Bologna, che hanno fornito le immagini TAC del caso studiato. La modellazione delle immagini TAC mediante ITK-SNAP e Meshlab ha permesso di produrre una superficie con una qualità sufficiente per poter essere utilizzata nel processo di generazione della griglia di calcolo mediante cfMesh. Ottenuta la mesh, si è passati a simularne il comportamento mediante Open-FOAM. Lo studio è stato impostato utilizzando curve reali di pressione e flusso volumetrico. Sono stati condotti due studi con due set di condizioni al contorno (Casi) diversi, per studiare la stabilità del codice e la sua capacità di sopperire alla mancanza di dati. Ogni Caso è stato poi analizzato con tre modelli fluidodinamici: modello laminare, modello k-kl-omega e modello k-omega SSTLM. Per tutti gli studi è stato condotto uno studio stazionario, considerando le pareti come perfettamente rigide (complianza trascurabile). I risultati ottenuti mostrano per ogni caso un ottimo accordo tra i vari modelli, confermando la validità delle ipotesi fatte. Inoltre i valori di flusso volumetrico calcolati sono in accordo con i dati sperimentali utilizzati, suggerendo la corretta conduzione delle analisi fatte.

La sempre più crescente urbanizzazione ha causato nelle città un continuo incremento di street canyon, dove ciò che predomina al loro interno è un accumulo di inquinanti, in particolare NOx, che potrebbero causare problemi alla salute dell’uomo. In questo contesto, le vernici fotocatalitiche a base di TiO2 applicate ai materiali da costruzione potrebbero trasformarsi in una soluzione interessante tanto da diventare parte integrante della strategia mirante a ridurre l’inquinamento ambientale. Questo progetto di tesi, si prefigge l’obiettivo di comprendere l’effetto che queste vernici hanno riguardo la dinamica e la dispersione degli inquinanti all’interno di uno street canyon urbano. Ai fini di questo studio, è stata scelta una zona urbana reale (la sede di Ingegneria in via Umberto Terracini a Bologna) che disponesse di due canyon paralleli, uno dei quali da tenere come confronto per le analisi effettuate. Tutti gli scenari sono stati simulati attraverso l’utilizzo di un codice di calcolo ritenuto un riferimento di buona tecnica per tali studi: il software Starccm+, il quale utilizza l’approccio CFD nello studio dei problemi fisici. I primi scenari simulati hanno avuto come obiettivo quello di studiare come l’effetto termico, la direzione e la velocità del vento influenzano la dispersione dell’inquinante nella geometria in esame. L’ultimo caso, invece, propone un modello capace di stimare l’effetto fotocatalitico delle vernici applicate alle pareti di uno solo dei due canyon; i dati sperimentali, in linea con il modello, hanno misurato una riduzione solo dello 0.5% circa. Questo risultato potrebbe essere però dovuto a fattori che potrebbero aver influenzato negativamente l’efficacia della vernice stessa: l’assenza di piogge, l’elevata umidità, la velocità non bassa del vento e la sua direzione obliqua rispetto al canyon verniciato, ma soprattutto il fatto che il canyon risultasse in parte in ombra durante il periodo di misurazione.

Quest’attività di tesi portava con sé numerosi obbiettivi, primo tra tutti la conoscenza della galleria del vento. Questa è servita per tutta la fase sperimentale dell'acquisizione delle misure. L’iniziale fase di ricerca ha riguardato la classificazione delle gallerie del vento. Altre ricerche hanno interessato gli strumenti che più comunemente si utilizzano per le misure di velocità. Successivamente si è passati alla parte sperimentale vera a propria. Tramite l’uso di un tubo di Pitot, sono state eseguite diverse misure di velocità nella camera di prova della galleria del vento per frequenze da 5 Hz a 40 Hz. Questo lavoro ha portato alla caratterizzazione della galleria: con i risultati ottenuti è stato possibile tracciare grafici 2D e 3D dell’andamento delle velocità. Nella seconda parte sperimentale è stata usata la tecnologia PIV, per analizzare il flusso intorno a un cilindro con frequenze dai 5 Hz ai 20 Hz. Tramite il software FlowManager che gestiva il laser e i dispositivi fotografici è stato possibile acquisire fotogrammi del flusso che si scontrava contro l'ostacolo. Con un lavoro di post-processing si è arrivati ad ottenere mappe 3D dei campi di velocità. La terza ed ultima parte sperimentale ha riguardato nuove misure con la tecnica PIV, alle stesse frequenze considerate nella fase precedente, ma questa volta l'ostacolo impiegato è stato il modello in scala 1:18 dell'automobile solare Emilia4, sviluppata dal team Onda Solare. In particolare, si sono voluti indagare i fenomeni turbolenti che avvengono in coda all'auto.Le difficoltà in questo caso sono state maggiori a causa di fenomeni di mescolamento tra flussi, per vortici 3D di complicata analisi dalla tecnologia stereo-PIV e perché il flusso era notevolmente più turbolento. Il conclusivo calcolo dei numeri di Reynolds per entrambi i casi (flusso intorno al cilindro e in coda all'auto) ha permesso un confronto con i casi presenti in letteratura ed ha validato le sperimentazioni.

Le emissioni di sostanze inquinanti comportano l’alterazione della composizione chimica dell’atmosfera influenzando quindi la qualità dell’aria che respiriamo e la vivibilità in ambito urbano, e dalla quale derivano rischi per la salute e danni agli ecosistemi. Il traffico urbano insieme al riscaldamento civile durante l’inverno è oggi la principale fonte di inquinamento atmosferico in tutte le città. I modelli di simulazione della qualità dell’aria sono utilizzati come strumenti d’ausilio per i pianificatori urbani nella scelta delle azioni da intraprendere per la riduzione dell’inquinamento e il raggiungimento degli obiettivi sulla qualità dell’aria come definiti dalla normativa nazionale ed europea. In questo lavoro si è utilizzato il modello ADMS-Urban per la stima dei livelli di inquinamento di una zona di Bologna, Via Marconi e strade limitrofe per un area complessiva di circa 4 km2. Sono stati tenuti in considerazione i soli contributi emissivi dovuti al traffico veicolare. Per poter avere una stima il più possibile accurata delle emissioni che caratterizzano tale dominio, è stato costruito un parco auto partendo da dei conteggi diretti dei veicoli divisi per categoria circolanti in Via Marconi durante gli orari di punta di un giorno feriale (ore 8-9). I valori così ottenuti sono stati utilizzati per assegnare a ciascun arco stradale, tramite opportune valutazioni in cui si è tenuto in conto anche il volume di traffico complessivo che interessa ciascuna strada dichiarato dal Comune di Bologna, i valori di traffico caratteristici. Il profilo orario giornaliero del traffico è stato costruito tramite l’utilizzo di fattori di correzioni relativi a ciascun intervallo orario. Tali fattori sono ottenuti per via sperimentale e già utilizzati in vari enti per la costruzione degli inventari delle emissioni e rappresentano il peso del traffico di ogni intervallo orario nei giorni feriali, prefestivi e festivi rispetto all’orario di punta di un giorno feriale.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello analizzare in regime di condizionamento estivo gli scambi termici che si verificano all’interno dell’abitacolo di un veicolo elettrico attraverso l’elaborazione di un modello di cabina che tenga conto degli apporti di calore entranti nella stessa al fine di fornire uno strumento di analisi energetica in regime non stazionario. Il condizionamento del veicolo viene effettuato da un sistema di Heating Ventilating and Air Conditioning (HVAC), il quale si occupa del riscaldamento, del raffrescamento e della ventilazione dell’abitacolo del veicolo per garantire il “comfort termico” dei passeggeri. La metodologia utilizzata è quella dell'analisi dei flussi energetici tramite un approccio a parametri concentrati (in ambiente Matlab-Simulink). La base di partenza è un codice realizzato precedentemente, al quale si vuole aggiungere una analisi più approfondita dei carichi dovuti all'irraggiamento solare; questo costituisce il contributo più significativo e critico, in quanto dipende da un numero di grandezze ambientali estremamente variabili nel tempo che occorre analizzare con cura al fine di simulare un modello che sia quanto più possibile preciso e vicino alla realtà. Mediante il seguente modello, è stato possibile determinare dinamicamente la temperatura dell'aria all'interno della cabina, la quale varierà in primo luogo a causa delle condizioni esterne a cui è sottoposta la cabina e a causa del funzionamento del gruppo frigorifero. Il codice è stato applicato a diverse traiettorie e in diversi momenti della giornata, nella località di Bologna: in particolare sono stati considerati quattro percorsi rettilinei in direzione sud, nord, est, ovest e un percorso reale effettuato sui viali di Bologna. La parte più rilevante dell’elaborato di tesi è dedicata alla definizione di un modello dinamico costituito dal gruppo HVAC e abitacolo da condizionare, focalizzando l’attenzione in particolare sulla modellazione della cabina.

Negli ultimi anni l’applicazione di normative sempre più restrittive ha avuto un ruolo chiave per quanto riguarda l’evoluzione tecnologica in ambito industriale. Gli elevati standard energetici imposti da tali normative in più campi dell’industria hanno costretto le aziende a doversi confrontare con un problema oggi fondamentale: l’efficientamento energetico. La percezione che l’impatto ambientale di prodotti, risorse e servizi giocherà un ruolo determinante nel mondo del futuro sta portando le grandi aziende a cercare nuove strade per affrontare una tematica sempre più diffusa e condivisa dalla società moderna. Lo studio di tesi presentato si muove proprio in questa direzione: l’efficientamento energetico di un forno domestico nell’ambito della cottura dei cibi. In questo caso, l’obiettivo è quello di studiare numericamente il processo di cottura allo scopo di fornire elementi di conoscenza che aiutino il processo di ottimizzazione. Il risultato a cui si mira è quello di avere un minor consumo di energia a parità di qualità di cottura del cibo. L’azienda con la quale è stata stretta collaborazione è Smeg, leader mondiale nel settore elettrodomestico. Anche in tale ambito, gli standard energetici da soddisfare sono anno dopo anno più restrittivi e assolutamente neccessari affinchè il prodotto possa entrare sul mercato. Dunque, il dover soddisfare standard energetici sempre più elevati con metodologie che hanno un costo notevole rappresenta un problema. In questo senso, l’utilizzo della CFD può rappresentare una nuova strada da percorrere. La costruzione di un modello termofluidodinamico numerico può infatti dare importanti informazioni sul ’dove cercare’, e sinergicamente alle convenzionali metodologie di sviluppo può garantire un processo di ottimizzazione più efficace, con conseguente diminuzione dei costi.

Con l'aumento della diffusione dei veicoli elettrici, la necessità di ottimizzare le condizioni termiche e la qualità dell'aria all'interno dell'abitacolo risulta fondamentale per migliorare i consumi energetici e garantire il comfort del conducente durante l'esperienza di guida. Il comfort termico è particolarmente complesso da definire; la sua percezione varia da individuo ad individuo, a seconda del tipo di attività fisica svolta, dell'abbigliamento indossato e del tasso metabolico e risulta fortemente influenzato da diversi parametri ambientali. Il presente studio è finalizzato alla determinazione dei livelli di comfort termico all'interno dell'abitacolo di un veicolo elettrico. A tale scopo le simulazioni computational fluid dynamics (CFD) si sono dimostrate una grande risorsa ingegneristica perchè consentono una comprensione approfondita della distribuzione locale di velocità e temperatura dei fluidi e hanno permesso un'analisi puntuale dei flussi turbolenti, fenomeni fluidodinamici particolarmente complessi. È stato utilizzato il modello \begin{itshape}Reynold Stress Model\end{itshape} per avere una maggiore accuratezza della soluzione, in vista della determinazione del comfort termico, a discapito di un maggiore costo computazionale rispetto ad altri modelli di turbolenza. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati utilizzati per definire gli indici di comfort Voto Medio Previsto (PMV), con relativa Percentuale di Insoddisfatti (PPD), e la Temperatura equivalente, valutati in prossimità della posizione del driver, per diverse combinazioni di velocità e temperature di inlet nell'abitacolo. L'analisi dei risultati mostra come il riscaldamento durante il periodo invernale riesca a garantire sensazioni termiche soddisfacenti solo per i valori più elevati di temperatura e velocità dell'aria presi in considerazione. Entrambi gli indici convergono a questa conclusione, dimostrando quindi di essere entrambi validi per l'analisi del comfort negli autoveicoli