POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato (Politecnico di Milano)
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A comparison of one-way and two-way FSI coupling for studying ice shedding trajectories
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesto lavoro valuta la capacità risolutiva di un problema di interazione fluido-struttura bidimensionale, comparando l’utilizzo di un accoppiamento unidirezionale con quello bidirezionale. In particolare, viene studiata la traiettoria di un frammento di ghiaccio circolare, con l’obiettivo di stimare fino a quale sua dimensione, rispetto alla corda unitaria c del profilo alare da cui si è distaccato, sia possibile adottare l’accoppiamento unidirezionale, essendo questo computazionalmente più economico, senza sacrificare la precisione dell’approccio bidirezionale. A tal fine, è stato sviluppato e validato un codice per la risoluzione dell’interazione fluido-struttura con griglia conforme al corpo, in grado di simulare ampi spostamenti rigidi mediante una strategia di rigenerazione della griglia di calcolo. È presa in considerazione una selezione di tre raggi: 0.005 c, 0.010 c e 0.020 c. Poiché l’accoppiamento monodirezionale non è in grado di apprezzare le mutue interazioni tra il ghiaccio e il profilo alare, l’analisi del moto si concentra nelle vicinanze di quest’ultimo, dove l’interazione dipende fortemente dalla distanza tra le superfici. Nello specifico, essendo il profilo fissato, la valutazione viene condotta rispetto alla posizione orizzontale del ghiaccio. Per quantificare le differenze tra le traiettorie, si considera la discrepanza percentuale sulla posizione verticale a parità di posizione orizzontale e per la stessa dimensione del ghiaccio, calcolata come differenza in ascissa normalizzata rispetto alla lunghezza della corda alare; al fine di discriminare la similarità tra i due casi, viene adottato un limite di accettabilità del 2 %. Dai risultati emerge come, nel caso con raggio più piccolo, ovvero 0.005 c, l’approccio monodirezionale predice bene il moto del corpo, mentre, per gli altri due raggi, 0.010 c e 0.020 c, i valori di discrepanza superano superano la soglia di discriminanza. Utilizzando un accoppiamento bidirezionale nel caso con ghiaccio di dimensione maggiore, si osserva che, durante il moto, la vicinanza alla superficie del corpo aerodinamico genera una bolla di ricircolo, causando forti fluttuazioni dei carichi sul profilo alare, non rilevabili con l’accoppiamento monodirezionale. Il significativo risparmio computazionale di quest’ultimo accoppiamento, pari a circa tre ordini di grandezza in termini di tempo di calcolo (espresso in secondi), rende ragionevole il suo utilizzo per un’analisi in cui un’estrema precisione non è prioritaria, fino ad un raggio di 0.010 c, per cui la presenza del corpo in movimento non incide in modo rilevante sui carichi del profilo alare.This work evaluates the solution of a 2D FSI problem by comparing the use of one-way coupling and two-way coupling. In particular, the trajectory of a detached circular-shaped ice fragment is studied, aiming to assess up to which ice dimension, with respect to a unit-chord airfoil c, the path can be studied by employing the one-way coupling, which is computationally less expensive, without compromising the precision of the two-way approach. To do so, a body-fitted FSI code is developed and validated to compute large rigid body displacements using remeshing. A set of three radii has been tested: 0.005 c, 0.010 c, and 0.020 c. Since the critical point in one-way coupling is its inability to notice the interaction between the ice and the airfoil, the trajectory is studied in the vicinity of the latter body. The interaction is strictly related to the mutual distance between the two solid surfaces, therefore, since the streamlined surface is fixed, the analysis is conducted with respect to the horizontal position of the moving fragment. To evaluate the difference between the two trajectories, the percentage discrepancy in vertical positions at equal horizontal displacements, normalized by the airfoil chord length, is evaluated. A threshold of 2% is set to verify if the two solutions are sufficiently similar. It is found that the motion of the smaller radius piece of ice (0.005 c) is well predicted by using the one-way coupling, while, for the 0.010 c and 0.020 c, the discrepancy values exceed the given threshold. Employing two-way coupling with the larger ice dimension, it is observed that the motion of the ice block near the airfoil surface generates a recirculation bubble, implying strong fluctuations on the airfoil load, which are not visible by using the one-way approach. The substantial computational saving of the one-way coupling, up to three orders of magnitude in seconds, makes its employment reasonable for contexts where extreme accuracy is not critical, up to the 0.010 c radius case, where the presence of the moving body does not affect heavily the airfoil loads
Statistical arbitrage strategies on ETFs: a comparative analysis of triplet trading and autoencoder-based anomaly detection
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi esplora due approcci complementari all’arbitraggio statistico su un universo di ETF, con l’obiettivo di identificare disallineamenti temporanei nei prezzi tramite metodi sistematici e data-driven. La prima strategia estende il pairs trading classico a un contesto multivariato costruendo triplette di ETF cointegrati, un approccio definito come Triplets Trading. Le triplette candidate vengono selezionate attraverso clustering non supervisionato, preceduto da una riduzione dimensionale tramite Principal Component Analysis (PCA). Su ciascuna tripletta selezionata viene stimato uno spread stazionario con il metodo di cointegrazione di Johansen, e i segnali di trading vengono generati mediante strategia che generalizza il concetto delle Bollinger Bands utilizzando soglie dinamiche basate sullo z-score. La seconda strategia adotta un approccio innovativo, basato su un framework non lineare di anomaly detection che combina Autoencoder e Isolation Forest. L’Autoencoder è addestrato per apprendere una rappresentazione latente del comportamento cross-sectional dei ritorni degli ETF. Le anomalie temporali vengono identificate sulla componente latente più stabile attraverso l’Isolation Forest e successivamente attribuite ai singoli ETF in base all’errore di ricostruzione. I segnali operativi sono generati da queste deviazioni localizzate, assumendo una logica di mean-reversion. Entrambe le strategie sono valutate su dati intraday di ETF tramite un backtest realistico che include costi di transazione, profitto cumulato, drawdown e Sharpe Ratio. Mentre l’approccio Triplets Trading mostra una maggiore robustezza in presenza di frizioni di mercato, la strategia basata su Autoencoder rappresenta un’alternativa flessibile in grado di catturare dinamiche di mercato complesse e non lineari. I risultati evidenziano il compromesso tra interpretabilità e flessibilità nell’arbitraggio statistico moderno e suggeriscono che la combinazione tra modelli econometrici e tecniche di machine learning possa migliorare la progettazione di strategie market-neutral.This thesis investigates two complementary approaches to statistical arbitrage on a universe of ETFs, aiming to identify short-term mispricings through systematic, data-driven methods. The first strategy extends classical pairs trading to a multivariate setting by constructing cointegrated triplets of ETFs, an approach referred to as Triplets Trading. Candidate triplets are selected through unsupervised clustering after dimensionality reduction via Principal Component Analysis (PCA). A stationary spread is then estimated using Johansen's cointegration method, and trading signals are generated via a strategy which generalizes the concept of Bollinger Bands using dynamic z-score thresholds. The second strategy adopts a non-linear anomaly detection framework based on Autoencoders and Isolation Forest. The Autoencoder is trained to learn a latent representation of the cross-sectional behavior of ETF returns. Temporal anomalies are detected in the most stable latent component using the Isolation Forest algorithm, and subsequently attributed to specific ETFs based on their reconstruction error. Trading signals are derived from these localized deviations under a cross-sectional mean-reversion assumption. Both strategies are evaluated on intraday ETF data using realistic backtesting procedures that account for transaction costs, cumulative profit, drawdowns, and Sharpe Ratios. While the Triplets Trading approach shows more robust performance under frictions, the Autoencoder-based method offers a flexible alternative that captures more complex, non-linear market dynamics. The results highlight the trade-offs between interpretability and flexibility in modern statistical arbitrage, and suggest that combining econometric structure with machine learning techniques can enhance the design of market-neutral trading strategies
Network-based representation and analysis of rubble-pile asteroids dynamics
Full text linkLAUREA MAGISTRALEL’integrità strutturale e la corrispondente evoluzione degli asteroidi di tipo rubble-pile, che sono aggregati di rocce tenuti insieme principalmente dall’azione della gravità, costituiscono meccanismi fondamentali per capire la formazione del sistema solare e concepire strategie di difesa planetaria e missioni di osservazione in-situ. I metodi tradizionali
per modellizzare questi sistemi si basano tipicamente sulla dinamica delle particelle o su modelli a elementi finiti. Questa tesi introduce e valida un approccio innovativo per rappresentare un asteroide rubble-pile attraverso la teoria delle reti, permettendo la caratterizzazione delle strutture interne e dei loro comportamenti dinamici attraverso specifiche metriche topologiche.
Il metodo applicato prende avvio dalla creazione di sistemi asteroidali usando modelli di contatto smooth e non-smooth, simulando sia particelle sferiche sia particelle dalla forma poliedrica convessa. Gli aggregati così simulati vengono rappresentati come grafi, dove i nodi corrispondono alle particelle e gli spigoli riflettono le relazioni fisiche e spaziali tra le particelle, come per esempio le forze di contatto, le distanze e le energie.
Le tecniche della teoria delle reti, che includono le metriche di centralità (grado, autovettore, betweenness), i coefficienti di clustering e le soglie di percolazione, sono applicate per cogliere gli aspetti critici del comportamento del sistema, come la stabilità e la potenziale frammentazione. Queste metriche sono applicate in diversi momenti per monitorare l’evoluzione strutturale, assumendo diverse condizioni iniziali in termini di densità, forma e frequenza di rotazione. I risultati dimostrano che le tecniche di percolazione e di clustering sono in grado di rivelare fasi di aggregazione o disgregazione.
Infine, lo studio propone un contesto predittivo basato sulla configurazione iniziale della rete per prevedere possibili eventi di rottura. La conclusione della tesi è che la teoria delle reti rappresenta un potente strumento per analizzare e interpretare la dinamica degli asteroidi rubble-pile, aprendo la strada a nuovi modelli computazionalmente efficienti.The structural and dynamical evolution of rubble pile asteroids, which are aggregates of rocks held together primarily by gravity, are central to understanding the solar system formation, asteroid deflection strategies, and in-situ observations. Traditional methods for modelling these systems typically rely on particle-based dynamics or finite element models.
This thesis introduces and validates a novel approach that models rubble-pile asteroids using complex network theory, enabling the characterisation of internal structures and dynamical behaviours through topological metrics.
The methodology begins with the creation of asteroid systems using smooth and nonsmooth contact models, simulating both spherical and convex polyhedral particles. The simulated aggregates are transformed into graph representations, with nodes corresponding to particles and edges reflecting interparticle relationships derived from physical and spatial properties, such as contact forces, distances and energies.
Network analysis techniques, including centrality metrics (degree, eigenvector, betweenness), clustering coefficients, and percolation thresholds, are applied to capture critical
aspects of system behaviour such as stability and fragmentation potential. These metrics are studied over time to monitor structural evolution under varying initial conditions of density, shape, and spin rate. The results demonstrate that percolation and clustering analyses reveal phases of aggregation or disaggregation.
Finally, the study proposes a predictive framework using early-time network configurations to forecast possible break-up formations. This thesis concludes that complex network theory offers a powerful, complementary lens for analysing and interpreting rubble-pile asteroid dynamics, paving the way for future high-fidelity and computationally efficient modelling approaches
Automatic matrix decomposition for reducing performance variability in mixed-interger programming solvers
Full text linkLAUREA MAGISTRALEQuando si tratta di modellare problemi di ottimizzazione che emergono da scenari del mondo reale provenienti da settori come la finanza, la pianificazione della produzione o la progettazione di reti, è necessario utilizzare variabili intere. Questo rende la Programmazione Mista Intera (Mixed-Integer Programming) indispensabile quando si vogliono risolvere problemi di ottimizzazione in questi ambiti. Negli ultimi 50 anni sono state condotte ricerche approfondite su come questi problemi dovrebbero essere formulati e sono stati apportati numerosi miglioramenti agli algoritmi utilizzati per risolverli. Tuttavia, esiste una caratteristica emersa più recentemente che finora non è stata affrontata in modo significativo nella letteratura scientifica. Stiamo parlando della variabilità delle prestazioni, ovvero della differenza nei tempi di esecuzione misurati quando si risolvono formulazioni matematicamente equivalenti dello stesso problema ottenute riordinando le righe e le colonne.
Questa tesi si propone di costruire un framework per sperimentare con varie istanze di problemi di ottimizzazione, indagare meglio le cause della variabilità delle prestazioni e cercare di mitigarne l’effetto attraverso il riordinamento di righe e colonne della matrice dei coefficienti del problema.
Il framework ci ha permesso di simulare un comportamento avversario in cui, data un’istanza di problema, generiamo diverse forme equivalenti secondo trasformazioni ben definite. Una volta fatto ciò, sperimenteremo con diversi metodi per riordinare le righe e le colonne delle varie forme al fine di ottenere una forma unica che, idealmente, porterà a tempi di risoluzione più stabili. Nel fare ciò, non ci siamo limitati a misurare la variabilità del tempo di esecuzione, ma cercheremo anche di definire altre metriche basate sulla struttura delle matrici che siano correlate con la variabilità del tempo di risoluzione. Queste metriche ci forniranno maggiori informazioni sulle caratteristiche di un problema che influenzano il comportamento del risolutore, permettendoci così di comprendere meglio le trasformazioni subite dalle matrici dei coefficienti durante l’elaborazione da parte degli algoritmi più avanzati disponibili oggi.When it comes to modelling optimization problems for real-world scenarios coming from sectors like finance, production planning or network design it is necessary to have integer variables. This makes Mixed-Integer Programming essential when we want to solve optimization problems in these fields. Extensive research has been conducted into how these problems should be formulated and various improvements to the algorithms used to solve them have been made during the last 50 years.
Nevertheless, there is a feature which has been discovered more recently that has not been addressed much in research papers so far. We are talking about performance variability, which stands for different runtimes measured when solving shuffled but mathematically equivalent versions of the same problem.
This thesis aims to build a framework to experiment with various optimization problem instances, investigate the causes of performance variability more thoroughly, and try to mitigate its effect through the reorderings of rows and columns of problem coefficient matrices.
The framework allowed us to simulate adversarial behaviour where, given a problem instance, we generated different equivalent forms according to well-defined transformations. Once done with that, we experimented with different methods to rearrange rows and columns of the different forms in order to reach a unique form which ideally would lead to more stable solving times.
While doing that, we not only measured runtime variability but we also tried to define other metrics based on matrices structures that were correlated with solve time variability, and gave us more information about what are the features of a problem that influence solver behaviour. Doing that, we tried to get a better understanding of the transformations that occur to coefficients matrices when processed by state-of-the-art solver software
Working out of office: assesing the feasibility of airport workspaces through case study analysis and a multicriteria-decision analysis
Full text linkLAUREA MAGISTRALENegli ultimi anni gli aeroporti stanno evolvendo da semplici hub di trasporto a contesti multifunzionali più complessi. Questo cambiamento risponde alle nuove esigenze dei viaggiatori, che non richiedono soltanto spazi per lo spostamento, ma anche luoghi dedicati al lavoro, al riposo e alla connessione. Una tendenza emergente e promettente è l’integrazione di spazi di coworking e di lavoro flessibile all’interno dei terminal aeroportuali. Questi ambienti mirano a soddisfare le necessità di lavoratori da remoto, viaggiatori d’affari e professionisti mobili che hanno bisogno di spazi confortevoli e connessi durante il transito. La ricerca propone indicazioni pratiche per l’implementazione di spazi di lavoro in aeroporto, basandosi sull’analisi di quattro casi studio che hanno introdotto (o stanno considerando di introdurre) tali soluzioni. L’analisi combina ricerca documentale e un’indagine qualitativa condotta tramite interviste semi-strutturate a stakeholder aeroportuali. I casi di Bogotá (BOG), Milano Malpensa (MXP), Milano Linate (LIN) e Monaco di Baviera (MUC) sono stati confrontati attraverso una Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) su cinque ambiti decisionali: disponibilità e flessibilità degli spazi, livello di domanda potenziale, potenziale di ricavo, integrazione operativa con le concessioni esistenti e valore strategico/di brand per l’aeroporto. Gli insight emersi dalle interviste hanno contribuito a definire i pesi dei criteri e a orientare le principali scelte di design e di gestione; la MCDA ha trasformato questi input in indicatori comparabili e in una graduatoria che evidenzia, nei diversi casi, quale opzione risulti più fattibile da differenti prospettive.
I risultati delineano direzioni chiare per le decisioni preliminari riguardanti la fattibilità degli spazi di lavoro in aeroporto. Le proposte devono dimostrare la capacità di rispondere ai bisogni degli utenti e di allinearsi alla strategia commerciale dello scalo. In generale, gli stakeholder tendono a privilegiare localizzazioni landside, modelli di partnership o di gestione esterna e un design centrato sul passeggero che garantisca requisiti concreti. L’integrazione operativa con bar, lounge e gate è essenziale: i nuovi spazi devono completare l’offerta esistente, non competere con essa. Dal punto di vista economico, il business case deve essere chiaro e competitivo rispetto ad altri usi non aeronautici, basandosi su metriche semplici e confrontabili (ad esempio ricavo per metro quadrato) e su target di ritorno espliciti definiti dall’aeroporto. In presenza di una domanda variabile nell’arco della giornata, layout flessibili e riusi nelle ore di minor affluenza (es. da parte di personale o compagnie aeree) possono migliorare l’utilizzo e la qualità del servizio.
Questa tesi non propone una guida prescrittiva né uno standard metodologico, ma fornisce orientamenti direzionali su che cosa priorizzare, dove localizzare e come operare, sulla base delle prospettive degli stakeholder aeroportuali e tradotti in criteri semplici di confronto. L’approccio rimane esplorativo e il campione limitato suggerisce cautela nella generalizzazione; tuttavia, il framework sviluppato supporta le prime discussioni di fattibilità e individua i passi successivi per future ricerche sul tema.In recent years, airports have started to evolve from traditional transportation hubs into more complex, multi-functional environments. These changes respond to new demands from travellers, who increasingly need spaces not only for movement but also for work, rest, and connection. One promising trend is the integration of coworking and flexible workspaces within airport terminals. These spaces aim to serve remote workers, business travellers, and mobile professionals who require comfortable, connected environments while in transit. This study offers practical directions for implementing airport workspaces by combining the analysis of four airport cases which have implemented (or are considering implementing) workspaces. The analysis includes desktop research and the qualitative analysis of semi-structured interviews with airports’ stakeholders. The case study analysis has informed a Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA). The four cases: Bogotá (BOG), Milan Malpensa (MXP), Milan Linate (LIN), and Munich (MUC), are compared across five decision areas: availability and flexibility of space, level of potential demand, revenue potential, operational integration with existing concessions and strategic/brand value for the airport. Interview insights set the criteria weights and guide the main design and management choices. The MCDA then turns these inputs into comparable indicators and a ranking that shows, across the cases, which option looks most feasible from different perspectives.
The results point to clear directions for early decisions about the feasibility of workspaces in airports. Proposals should show user needs and fit the commercial strategy of the airport. In line, stakeholders tend to favour landside location, partnership or external management models, and passenger-centred design that guarantees their real requirements. Operational fit with current concessions is essential: workspace plans should complement, not conflict with, cafés, lounges, and gates. On the economic side, the business case should be clear and competitive when compared with other non-aeronautical uses, using simple and comparable measures such as yield per squaremetre and explicit return targets set by the airport. Where demand varies over the day, flexible layouts and off-peak reuse (e.g., by staff or airlines) can improve utilisation and service quality.
Importantly, this thesis does not present a prescriptive guide or a methodological baseline. Rather, it provides directional guidance, what to prioritise, where to locate, and how to operate, based in airport-operator perspectives and translated into simple criteria for comparison. The scope is exploratory and the sample is small, so generalisation is cautious; however, the framework supports early feasibility discussions and points to next steps for future research on this topic
Proposal of a novel thermal energy storage aggregate composite based on graphene-modified phase change materials for energy storage concrete applications
No full textDOTTORATOAmbito della ricerca di dottorato è stato lo sviluppo di un nuovo composito per l'accumulo di energia. Il composito è ottenuto incorporando PCM (materiale a cambiamento di fase) e grafene in aggregati di argilla espansa. Il nuovo aggregato composito a base di PCM, con caratteristiche termiche migliorate e con maggiore conduttività termica, è risultato idoneo per la produzione di calcestruzzi leggeri (LWC) quando incorporato in matrici cementizie. L’impiego di questo calcestruzzo leggero, con l’utilizzo di PCM e grafene, nell’ambiente costruito ha il potenziale di mitigare le fluttuazioni di temperatura e ridurre la domanda di energia, sia per edifici esistenti che di nuova costruzione.
Per la realizzazione del compsito, idoneo per l'accumulo di energia termica (TSA), è stato utilizzato stearato di butile (BS), un PCM a basso costo e commercialmente disponibile, e nanopiastrine di grafene (GNPs), selezionato come agente ad alta conducibilità. Il PCM con grafene nello stato liquido (nanofluido) è stato stabilizzato nei pori degli aggregati di argilla espansa (EC). Gli aggregati di argilla espansa (LWA) rappresentando uno dei materiali di supporto più promettenti per la preparazione di PCM stabilizzati in forma (FSPCM) nell'industria del calcestruzzo leggero (LWC). Lo studio ha analizzato il comportamento del grafene incorporate nel PCM-EC, e le prestazioni del TSA (GN-PCM-EC) sono state valutate combinando misure esperimentali ed analisi agli elementi finiti.
Un modello agli elementi finiti è stato implementato per la selezione preliminare dell'agente conduttivo (nanoparticella) più efficiente e per la previsione dell'effetto del suo contenuto. Infine, il comportamento termico del TSA è stato studiato integrandolo all'interno di una matrice cementizia per l'accumulo di energia termica (TSC).
I risultati hanno dimostrato che il composito TSA con 21% (in peso) di 2GN-PCM (aggregati di argilla espansa contenenti il 2% di GN in peso di PCM) ha ridotto i picchi di temperatura massima durante i cicli di riscaldamento fino a 5 °C rispetto agli EC (aggregati base) e fino a 2.5 °C rispetto ai PCM-EC (aggregati di argilla espansa contenenti solo PCM). Le prestazioni termiche del calcestruzzo per l'accumulo di energia termica (TSC), contenente il 3.5% (peso) di 2GN-PCM, hanno mostrato una riduzione delle ampiezze delle fluttuazioni di temperatura fino a 3.5 °C rispetto agli EC (senza PCM e grapene), e fino a 1 °C rispetto a PCM-EC, con misure effettuate su una campioni completamente isolati. Mentre, in una configurazione di prova con campioni isolato su quattro lati, e con umidità relativa ≤5%, i picchi massimi sono stati ridotti fino a 4 °C rispetto a PCM-EC e fino a 5.1 °C rispetto agli EC. Questa riduzione è stata di circa 3.6 °C e 5.2 °C con umidità relativa del 50%. Inoltre, il TSC con il 2% in peso di GN ha dimostrato un miglioramento nel trasferimento di calore, con un aumento della conduttività termica del 244% e del 67% rispetto a EC e PCM-EC, mentre la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche è aumentata di circa il 20%, dimostrando un maggiore omogeneità del materiale. Infine, le misure della variazione di massa hanno dimostrato che il TSA è termicamente stabile, e i test di lunga durata sulla storia della temperatura dei TSC contenenti TSA mostrano il potenziale di mantenere le prestazioni termiche dopo almeno 500 cicli di raffreddamento-riscaldamento. I risultati hanno dimostrato che il nuovo compositi TSA, potrebbe rappresentare una soluzione pratica ed efficace per migliorare il comfort interno e l'efficienza energetica negli edifici.The scope of the PhD research was to develop a novel energy storage composite obtained by incorporating graphene-enhanced PCM into expanded clay aggregate porous media. The novel thermally enhanced PCM-based composite aggregate with improved thermal conductivity has been found to be suitable for incorporation into cementitious matrices and for use in the lightweight concrete (LWC) industry. The utilization of this lightweight graphene-enhanced PCM-based concrete within the built environment has the potential to mitigate temperature fluctuations and reduce energy demands, both for existing and newly constructed buildings.
To this aim, the present study investigated a thermal energy storage aggregate (TSA) composite based on butyl stearate (BS), a low-cost commercially available PCM, and graphene nanoplatelets (GNPs, shortly named as GN in current study), as selected highly conductive agent. The liquid state graphene-enhanced PCM (nanofluid), is form-stabilized in the porous medium of expanded clay (EC) aggregates. The development of the TSA is supported by expanded clay (EC) lightweight aggregate (LWA), which is a promising material for the preparation of form-stabilized PCM (FSPCM) in the lightweight concrete industry. The study analyzed the behavior of graphene nanoplatelets embedded in PCM-EC media, and the performance of the designed composite TSA (GN-PCM-EC) was evaluated by combining experiments and finite element analysis.
A finite element model was implemented for the preliminary selection of the most efficient conductive agent (nanoparticle) and prediction of the effect of its content. The thermo-chemical properties of the fabricated TSA were then fully analyzed. Finally, the thermal behavior of the TSA was investigated by embedding it within a matrix of thermal energy storage concrete (TSC).
The results demonstrated that the TSA composite with 21% (wt.) 2GN-PCM (expanded clay aggregates containing 2% GN by weight of PCM), reduced the maximum temperature peaks during heating cycles by up to 5 °C compared to pristine EC (empty aggregates) and up to 2.5 °C compared to PCM-EC (aggregates containing only PCM). Analysis of the thermal performance of a thermal energy storage concrete (TSC) containing 3.5% (wt.) 2GN-PCM in a 3D setup that mimics challenging conditions where the temperature fluctuations barely reach the PCM (fully insulated with polystyrene), showed a reduction in the amplitudes of the temperature by up to 3.5 °C compared to pristine EC and by up to 1 0C compared to PCM-EC. While, in a 1D heat transfer setup where the TSC is insulated at the four edges (close to building real condition, partially insulated with polystyrene), at ≤5% relative humidity, the maximum peaks were smoothed by up to 4 0C when compared to PCM-EC and up to 5.1 0C when compared to pristine EC, while this decrease is around 3.6 0C and 5.2 0C for the tests in 50% relative humidity condition. In addition, TSC, with 2 wt% GN, shows improved heat transfer, its thermal conductivity increased by 244% and 67% when comparing to pristine EC and PCM-EC, while the ultrasounds wave propagation velocity increased by approximately 20% which proves the higher degree of homogeneity in the media. Finally, the leakage test showed that the TSA is thermally stable, and the long temperature history tests on TSCs containing TSAs show potential to maintain thermal performance after at least 500 cooling-heating cycles. The results demonstrated that the novel-designed TSA composites pave the way for a practical and effective solution to improve indoor comfort and energy efficiency in buildings.DIPARTIMENTO DI ARCHITETTURA, INGEGNERIA DELLE COSTRUZIONI E AMBIENTE COSTRUITO37COLOMBI, PIERLUIGICARAGLIU, ANDREA ANTONI
Dynamic response of short slack metallic cables via finite element modelling
No full textLAUREA MAGISTRALEIl presente lavoro di tesi si concentra sulla caratterizzazione della risposta in frequenza dei dissipatori di tipo Bretella, dispositivi comunemente impiegati nelle linee elettriche ad alta tensione per attenuare le vibrazioni indotte dal vento. Tali dissipatori consistono in un conduttore corto, lasco e flessibile, ancorato trasversalmente al conduttore principale. La risposta dinamica di questi sistemi risulta particolarmente complessa a causa della significativa rigidezza flessionale, delle grandi rotazioni e delle non linearità geometriche e del materiale. Nonostante la loro diffusione pratica, in letteratura sono presenti poche indagini approfondite su questi dispositivi e, più in generale, sulla risposta dinamica di cavi laschi, rendendo questa ricerca di particolare interesse. Per investigare accuratamente il comportamento del sistema, è stato impiegato un codice di calcolo agli elementi finiti sviluppato per fini di ricerca, che integra il modello isteretico di Bouc-Wen e utilizza elementi trave corotazionali. Questa formulazione consente di rappresentare in maniera efficace il comportamento di strutture snelle soggette a grandi spostamenti e rotazioni. Lo studio è stato articolato in tre fasi principali: un’analisi statica, volta a determinare la configurazione di equilibrio coerente con l’assetto reale del dissipatore; un’analisi modale per l’identificazione delle frequenze e dei modi propri; e un’analisi dinamica per valutare la risposta in frequenza. I risultati ottenuti includono le curve di impedenza meccanica e le curve di energia dissipata, utili per comprendere l’efficacia dello smorzatore Bretelle. Le simulazioni sono state condotte utilizzando sia modelli bidimensionali, focalizzandosi sulla risposta in-piano del conduttore, che modelli tridimensionali, incorporando anche la risposta fuori piano, al fine di ottenere un quadro completo del comportamento dinamico dei dissipatori Bretelle.This thesis focuses on the frequency response characterization of Bretelle dampers, which are widely used in high-voltage power lines to mitigate vortex-induced vibrations, especially aeolian vibrations. These dampers consist of a short, slack, and flexible auxiliary conductor attached transversely to the main cable. Due to their bending stiffness and the presence of significant geometric and material non-linearities, the structural response of these systems is inherently complex. Despite their widespread use, the scientific literature offers limited investigation into the dynamic behaviour of such devices, and more generally, into the response of slack cables—highlighting the relevance of this research. A research-oriented finite element code is herein used to analyse the system, incorporating the Bouc-Wen hysteresis model and a corotational beam element formulation. This approach effectively captures the non-linear dynamic behaviour of slender elements undergoing large displacements and rotations. The study extensively investigates both the static and the dynamic response of short and slack stretches of overhead electrical line conductors by means of finite element models. A key objective of the work is the computation of both the mechanical impedance curves and energy dissipation curves of the Bretelle damper, which are essential to assess the performance of damping devices. Simulations are carried out addressing both in-plane and out-of-plane behaviour, to provide a comprehensive understanding of the dynamic response of Bretelle dampers
Development of an optimization framework integrating gasdyn for tuning internal combustion engine parameters to enhance performance
Full text linkLAUREA MAGISTRALEL’aumento della domanda di efficienza nei consumi e di tutela ambientale rappresenta una sfida significativa nella progettazione dei motori a combustione interna (ICE). I motori ICE sono sistemi molto complessi, il cui sviluppo richiede numerosi test sperimentali, spesso costosi e dispendiosi in termini di tempo. Per accelerare questo processo, sono stati sviluppati diversi programmi che applicano metodi statistici come il Design of Experiments (DoE), al fine di ridurre il numero di test fisici necessari per una calibrazione efficace.
Questa descrizione introduce la presente tesi, che propone un framework di ottimizzazione chiamato engine_optimizer, scritto in linguaggio Python, che integra il simulatore di fluidodinamica Gasdyn e mira a identificare i parametri ottimali del motore utilizzando l’algoritmo Mesh Adaptive Direct Search (MADS), migliorando così le prestazioni del motore e riducendo la necessità di validazione sperimentale. Questo strumento è stato poi applicato alla progettazione di un motore monocilindrico per motocicli, concentrandosi sull’ottimizzazione della lunghezza del condotto di aspirazione, per migliorare il flusso d’aria e l’efficienza del motore, e sull’ottimizzazione del Variable Valve Timing (VVT), in cui la fasatura delle valvole è stata ottimizzata in diversi punti di funzionamento per aumentare l’efficienza della combustione e ridurre le emissioni. Simulando il motore con le dimensioni ottimizzate del condotto di aspirazione e i settaggi VVT ottimizzati, sono stati osservati miglioramenti significativi nei parametri prestazionali, con alcuni compromessi tecnici comunque accettabili.
Queste operazioni sottolineano il valore degli strumenti di ottimizzazione basati su simulazione nella progettazione dei motori, in quanto non solo accelerano il processo progettuale, ma riducono anche i costi grazie alla minore dipendenza da prototipi fisici e test sperimentali.The increasing demand for fuel efficiency and environmental protection presents notable challenges in the design of Internal Combustion Engines(ICEs). ICEs are very complex systems, and developing them involves more experimental testing, which is time-consuming and costly. To accelerate this process, various programs have been developed that apply statistical methods such as the Design of Experiments (DoE) to reduce the number of physical tests necessary for effective tuning.
This description includes this present thesis, which introduces an optimization framework engine_optimizer, written in Python language that integrates the fluid dynamics simulator Gasdyn and aims to identify the optimal engine parameters using the Mesh Adaptive Direct Search(MADS) algorithm that enhances the performance while minimizing the need for experimental validation. This tool was then used for the design of a single-cylinder engine of a motorcycle focusing on Intake Duct Sizing Optimisation which analyzed and optimized the intake duct length to enhance airflow and engine efficiency and another for Variable Valve Timing (VVT) optimization where the valve timing at various operating points were optimized to enhance combustion efficiency and reduced emissions. By simulating the engine with the optimized intake duct dimensions and VVT settings, significant improvements were observed in performance metrics with slightly considerable technical trade-offs.
These operations underscore the value of using simulation-based optimization tools in engine design as they not only accelerate the design process but also reduce costs by minimizing the dependence on physical prototypes and experimental testing
Hybrid parameter identification and P2D modeling of NMC532/Graphite Lithium-ion Cell using FEM in COMSOL
No full textLAUREA MAGISTRALECon la crescente necessità di veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia, un accurato modello elettrochimico delle batterie agli ioni di litio è fondamentale per ottimizzarne la progettazione e la gestione. Questa tesi presenta lo sviluppo e la validazione di un modello pseudo-bidimensionale (P2D) per una cella a sacchetto (pouch cell) con catodo in NMC532 e anodo in grafite, concentrandosi su un approccio ibrido e preciso per l'identificazione dei parametri al fine di descrivere il comportamento della batteria in diverse condizioni. Il modello è stato implementato in COMSOL Multiphysics utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM). Per ridurre l'uso di metodi distruttivi, è stata adottata una combinazione di analisi della letteratura, misurazioni sperimentali e ottimizzazione. I parametri chiave identificati per l'ottimizzazione, tra cui frazioni di volume, costanti di reazione e potenziali degli elettrodi, sono stati stimati tramite l'ottimizzatore IPOPT con una funzione obiettivo ai minimi quadrati. Inoltre, la tensione a circuito aperto (OCV) per l'NMC532 è stata determinata combinando l'OCV misurata per la cella completa con quella nota della grafite. Il modello ha mostrato inizialmente un'eccellente validazione a 0.1C e 20°C, con un RMSE di 10.4 mV, ma un errore maggiore a 0.5C (RMSE di circa 24 mV), attribuito al valore iniziale del coefficiente di diffusione dell'elettrodo negativo. Regolando manualmente tale coefficiente, si è ottenuto un miglioramento significativo a 0.5C (RMSE di circa 13.03 mV) con una minima variazione a 0.1C (RMSE di circa 13.88 mV). Il modello è stato poi validato con successo anche in condizioni dinamiche, ottenendo un RMSE di 7.71 mV per test a impulsi e di 16.85 mV per test a corrente variabile. Complessivamente, lo studio dimostra la fattibilità di sviluppare un modello elettrochimico affidabile riducendo la dipendenza da procedure di parametrizzazione distruttive, costose e lunghe, evidenziando l'importanza di un'attenta identificazione dei parametri.With the fast-growing need for electric vehicles and energy storage systems, an accurate electrochemical model of lithium-ion batteries is crucial for optimizing their design and management. This thesis presents the development and validation of a Pseudo-two-dimensional (P2D) model for a NMC532/graphite pouch cell. This study focuses on a precise, hybrid, parameter identification approach to capture the battery behavior under different conditions. The model was implemented in the COMSOL Multiphysics using the finite-element-method (FEM). A combination of literature review, experimental measurement (for geometrical values), and optimization (to measure the most critical parameters) was adopted to minimize destructive methods in parameter identification. Key parameters identified for optimization included the negative and positive active material volume fraction, negative and positive electrode reaction rate constant, maximum lithium concentration in cathode, and maximum and minimum potential for each electrode. The optimizer used for this purpose was Interior Point Optimizer (IPOPT) with a least square objective function implemented in COMSOL. To determine the open circuit voltage (OCV) for NMC532, the measured full cell OCV was combined with the known graphite OCV. With this in place, the model initially showed excellent validation at a low C rate (0.1C) at 20°C, achieving an RMSE of just 10.4 mV. A higher error was observed at 0.5 (RMSE about 24 mV)which was the result of high initial negative electrode diffusion coefficient. This problem was mitigated by manually tuning the diffusion coefficient. A significant improvement in 0.5C simulation was observed after the tuning (RMSE around 13.03 mV) and with a minor adjustment to 0.1C result (RMSE around 13.88 mV). The model was further validated under dynamic pulse tests and extended variable current operation. The RMSE was 7.71 mV and 16.85 mV for the pulse and variable current, respectively. The study successfully highlights the feasibility of developing a reliable, electrochemical battery model with reduced reliance on costly and time-consuming destructive parameterization, demonstrating the importance of careful parameter identification
TOCNF for sustanaible papermaking and functional hybrid catalysts
No full textLAUREA MAGISTRALEIl crescente bisogno di materiali sostenibili e ad alte prestazioni ha alimentato un forte interesse verso risorse rinnovabili come la nanocellulosa. Questa tesi esplora la valorizzazione della biomassa cellulosica attraverso la produzione, funzionalizzazione e applicazione delle nanofibre di cellulosa ossidata con TEMPO (TOCNF). La cellulosa, biopolimero abbondante, biodegradabile e non tossico, è stata trasformata in materiale nanostrutturato ad alta area superficiale e resistenza meccanica tramite ossidazione mediata da TEMPO. Questo processo introduce selettivamente gruppi carbossilici in posizione C6 delle unità glucosidiche, facilitando la nanofibrillazione senza alterare la cristallinità del materiale. Le TOCNF risultanti mostrano una dispersione stabile in acqua e rappresentano candidati ideali per successive modificazioni chimiche.
Il lavoro si articola in due obiettivi principali: il primo è l’impiego delle TOCNF come additivi strutturali e funzionali nell’industria cartaria, con l’obiettivo di ridurre l’uso di resine sintetiche a base di poliammidoammina-epicloridrina (PAE); il secondo è la funzionalizzazione delle TOCNF con aminosilani per ottenere supporti nanostrutturati per la catalisi eterogenea. In ambito cartario, le TOCNF hanno migliorato la resistenza meccanica, la coesione interna e la densità del foglio, mostrando effetti sinergici anche a basse dosi di PAE. La letteratura conferma che anche basse concentrazioni di nanocellulosa migliorano l’interazione tra fibre e le proprietà del foglio (Isogai et al., 2011; Boufi et al., 2016; Zhao et al., 2022).
Nella seconda parte del lavoro, le TOCNF sono state funzionalizzate covalentemente con aminosilani in condizioni miti, mantenendo la morfologia e la cristallinità delle nanofibre. Le nanofibre modificate sono state utilizzate come supporti per ioni rame, creando un catalizzatore eterogeneo. Il sistema catalitico ha mostrato efficienza e riutilizzabilità nella reazione click Cu(I)-catalizzata tra azide e alchine, producendo triazoli 1,2,3 con alta resa e regioselettività. I risultati confermano il duplice ruolo delle TOCNF, sia come rinforzanti che come supporti funzionali per materiali avanzati.
Questa ricerca evidenzia il potenziale delle TOCNF nel sostituire additivi petrolchimici e nel fungere da piattaforma versatile per la catalisi bio-based, contribuendo alla chimica verde e all’economia circolare.The growing need for sustainable, high-performance materials has fueled a strong interest in renewable resources such as nanocellulose. This thesis explores the valorization of cellulosic biomass through the production, functionalization and application of TEMPO oxidized cellulose nanofibers (TOCNF). Cellulose, an abundant, biodegradable and non-toxic biopolymer, has been transformed into nanostructured material with high surface area and mechanical strength by TEMPO-mediated oxidation. This process selectively introduces carboxyl groups at the C6 position of the glucosidic units, facilitating nanofibrillation without altering the crystallinity of the material. The resulting TOCNFs show a stable dispersion in water and are ideal candidates for subsequent chemical modifications.
The work has different focuses objectives: the use of TOCNFs as structural and functional additives in the paper industry, with the aim of reducing the use of synthetic resins based on polyamide-epichlorohydrin (PAE) and the functionalization of TOCNFs with aminosilanes to obtain nanostructured supports for heterogeneous catalysis. In the paper sector, TOCNFs have improved mechanical strength, internal cohesion and sheet density, showing synergistic effects even at low doses of PAE. The literature confirms that even low concentrations of nanocellulose improve the interaction between fibers and the properties of the foil (Isogai et al., 2011; Boufi et al., 2016; Zhao et al., 2022).
In the functionalization focus, TOCNFs were covalently functionalized with aminosilanes under mild conditions, maintaining the morphology and crystallinity of the nanofibers. The modified nanofibres were used as carriers for copper ions, creating a heterogeneous catalyst. The catalytic system showed efficiency and reusability in the Cu(I)-catalyzed click reaction between azide and alkyne, producing 1,2,3 triazoles with high yield and regioselectivity. The results confirm the dual role of TOCNFs, both as reinforcers and as functional supports for advanced materials.
This research highlights the potential of TOCNFs to replace petrochemical additives and serve as a versatile platform for bio-based catalysis, contributing to green chemistry and the circular economy