The model is a conceptual representation (often simplified) of the real world or a its part, able to explain the functioning through a series of laws that represent it. These laws describe the basic principles of a theory and it is not always possible to fully solve it in an analytical way. When this happens it is possible to use numerical techniques to find the solution by means of software packages dedicated to the purpose. The development of the numerical model is composed of three distinct phases: the first (pre-processing) is the insertion of input data concerning the material, the boundary conditions of the process and the definition of the grid of resolution of the spatial domain (mesh) , the second (solver) is the resolution of equations that describe the phenomenon and the third (post-processing) is the visualization of the results. The models are a simple insertion of physical data within a software which uses them to provide a result, but is decisive the quality of the input data for the value or less of a model, and the quality of these data is obtained with rigorous research methods, developed ad hoc for each experience. The emphasis of this thesis is that modeling is not just learning to use a software, which, although extremely complex, definitely not ready for the world of research. The development of a model leading to the development and learning of new research techniques, dealing with different challenges every day, through different approaches from classical procedures, so as to continuously expand the cultural and entering a personal innovative methodology and the successful consolidated methods. There were followed with this method five different studies, which made me deal with problems relating to their specific resolution for each search: • Cooking of bakery products; • Media drying grapes; • Tartaric precipitation in wine; • Heat transfer in a pan; • Cooling system passive Icepack. The baking of a bakery product is an extremely complex process, where an infinite number of transformations physical, chemical and biochemical changes occur. The physical characteristics (particularly the diffusivity of the water within the matrix of the biscuit) are difficult to define, as well as the boundary conditions (absolute humidity of the cooking chamber and heat transfer convective coefficient). The determination of the mesh has been changed from the automatic software to improve the definition of the variables that are involved. Once the equations were solved the different views of the results have allowed us to identify the evolution of the temperature and humidity both spatial and temporally. The model was solved as a simultaneous heat and mass transfer, with a thickening of the mesh in the neighborhood of the points where the variables change more. The characterization of the variables was made with experiments specifically for the occasion. The various supports for the drying of the grapes that have been tested have completely different characteristics, both from a point of view of material (plastic, wood, bamboo, resins) that from a structural point of view (cassettes of different sizes and with different drawings between full and empty spaces). The big issue of this model, which set out the objective of determining the velocity field inside the different containers, has been to define the best geometry for each media type. The drawing representing the cassette in every detail appeared to be extremely complex and therefore with a number of degrees of freedom so high that even a large power computer could not complete the processing. The model, considering the speeds involved, has been resolved by ignoring the details of the parts where the flow of air and the wall appeared to be parallel. Tartaric precipitation of the wine is made by exploiting the different levels of solubility as a function of temperature. In particular to a reduction of the temperature corresponds to a decrease of the solubility. This process, that is a simple cooling, is extremely complex for the involvement of many chemical species and secondary phenomena. The model was solved through a series of models not coupled, each of which deals with one aspect of the phenomenon. The heating of a pan is a search which was performed in order to emphasize the difficulty of modeling the food matrix. It is a study on different steps, in increasing difficulty leading to the definition of the cooking of a disc of potato on a pan. The first model involves the empty pan on a electric heater, and the error between the experimental data and the simulation is around 4%. In the second has been added to the first model an aluminum disk with known properties, and the error is passed to 4.4%. In the third model, the aluminum disk was replaced with a potato disk, the material chosen for the many known properties, and the error is passed to about 22%. The Icepack is a polystyrene box with inside an hermetic case full of frozen water. The latent heat of fusion of ice keeps the internal temperature of the box close to 0 ° C until complete dissolution of ice. This system has been exploited to reduce the heat of the field by blueberries just after harvesting. The process has been simplified without considering the convection inside the box and assuming at first a simpler geometry than that of real blueberries. A subsequent adaptation of the model has provided for the definition of a geometry more similar to the real one (blueberries simulated by means of beads) with an increase of the accuracy of the results.

Il modello è una raffigurazione concettuale (molto spesso semplificata) del mondo concreto o di una sua parte, capace di spiegarne il funzionamento attraverso una serie di leggi che bene lo rappresentino. Queste leggi descrivono i principi fondamentali di una teoria e non sempre è possibile risolvere appieno in maniera analitica. Quando ciò accade si utilizzano tecniche numeriche per trovarne la soluzione per mezzo di pacchetti software dedicati allo scopo. Lo sviluppo del modello numerico si compone di tre distinte fasi: la prima (preprocessamento) è l’inserimento dei dati di input riguardanti il materiale, le condizioni al contorno del processo da descrivere e la definizione della griglia di risoluzione del dominio spaziale (mesh), la seconda (solutore) è la risoluzione delle equazioni che descrivono il fenomeno e la terza (postprocessamento) è la visualizzazione dei risultati. I modelli sono un semplice inserimento di dati fisici all’interno di un software che li utilizza per fornire un risultato, ma è determinante la qualità dei dati immessi per valorizzare o meno un modello, e la qualità di questi dati si ottiene con metodi di ricerca rigorosi, messi a punto ad hoc per ogni esperienza. Ciò che vuole essere enfatizzata da questa tesi di dottorato è che la modellistica non è semplicemente imparare ad utilizzare un software, che, pur essendo estremamente complesso, sicuramente non prepara al mondo della ricerca. Ed è questo che fa sì che lo sviluppo di un modello porti allo sviluppo e all’apprendimento di tecniche di ricerca nuove, affrontando ogni giorno sfide differenti, attraverso approcci diversi dai classici procedimenti, in modo da ampliare continuamente il bagaglio culturale personale e inserendo una metodologia innovativa e dal sicuro successo accanto a metodiche oramai consolidate. Sono state seguite con questo metodo 5 differenti ricerche, le quali mi hanno fatto affrontare problematiche relative alla loro risoluzione peculiari per ogni ricerca: • Cottura di prodotti da forno; • Supporti di appassimento uve; • Precipitazione tartrarica nel vino; • Trasmissione del calore su una padella; • Sistema di refrigerazione passiva Icepack. La cottura di un prodotto da forno è un processo estremamente complesso, dove una infinità di trasformazioni fisiche, chimiche e biochimiche avvengono. Le caratteristiche fisiche (in particolar modo la diffusività dell’acqua all’interno della matrice del biscotto) sono di difficile definizione, così come le condizioni al contorno (umidità assoluta dell’aria della camera di cottura e coefficiente di conduttanza convettiva). Anche la determinazione della mesh è stata modificata rispetto a quella automatica del software per migliorare la definizione delle grandezze che sono coinvolte. Una volta ottenuto il risultato le differenti visualizzazioni dei risultati hanno permesso di individuare l’evoluzione della temperatura e dell’umidità sia a livello spaziale che a livello temporale. Il modello è stato risolto come un simultaneo trasferimento di massa e di calore, con un infittimento della mesh nell’intorno dei punti dove maggiormente vengono modificate le grandezze. La caratterizzazione della variabili è stata fatta con sperimentazioni od hoc per l’occasione. I diversi supporti per l’appassimento delle uve che sono stati testati hanno caratteristiche completamente differenti, sia da un punto di vista del materiale (plastica, legno, bambù, resine) che da un punto di vista strutturale (cassette di diverse dimensioni e con differenti disegni tra pieno e vuoto). La grossa problematica di questo modello, che si prefiggeva lo scopo di definire il campo di velocità all’interno dei diversi contenitori, è stato definire la geometria migliore per ogni tipo di supporto. Il disegno che rappresenta la cassetta in ogni suo dettaglio risultava essere estremamente complesso e quindi con un numero di gradi di libertà talmente elevato che anche un computer di grande potenza non riusciva a completare l’elaborazione. Il modello, viste le velocità in gioco, è stato risolto ignorando i dettagli delle parti in cui il flusso di aria e la parete risultavano essere parallele. La precipitazione tartarica del vino viene fatta sfruttando i differenti livelli di solubilità in funzione della temperatura. In particolare a una diminuzione della temperatura corrisponde un decremento della solubilità. Questo processo, molto semplice impiantisticamente in quanto è un raffreddamento, è estremamente complesso per il coinvolgimento di molte specie chimiche e fenomeni secondari. Il modello è stato risolto attraverso una serie di modelli non accoppiati, ognuno dei quali si occupa di un aspetto del fenomeno. Il riscaldamento di una padella è una ricerca che è stata eseguita per enfatizzare la difficoltà della modellazione della matrice alimentare. È uno studio a differenti step, a difficoltà crescente che portano alla definizione della cottura di un disco di patata su una padella. Il primo modello riguarda la padella vuota messa a scaldare, e l’errore tra i dati sperimentali e la simulazione è intorno al 4%. Nel secondo è stato aggiunto al primo modello un disco di alluminio con proprietà note, e l’errore è passato al 4.4%. Nel terzo modello il disco di alluminio è stato sostituito con uno di patata, materiale scelto per le molte proprietà note, e l’errore è passato a circa il 22%. L’Icepack è un contenitore di polistirolo con all’interno una busta ermetica piena di acqua congelata. Sfruttando il calore latente di fusione del ghiaccio la temperatura interna del contenitore resta prossima a 0 °C fino al completo scioglimento del ghiaccio. Questo sistema è stato sfruttato per ridurre il calore di campo dai mirtilli appena dopo la raccolta. Il processo è stato semplificato non considerando la convezione interna alla scatola e ipotizzando in un primo momento una geometria più semplice rispetto a quella reale dei mirtilli. Un successivo adattamento del modello ha previsto la definizione di una geometria più simile a quella reale (mirtilli simulati per mezzo di sfere) con un incremento della accuratezza dei risultati.

LA MODELLISTICA TERMO FLUIDODINAMICA NELLO STUDIO DEI PROCESSI DI TRASFORMAZIONE DEI PRODOTTI AGRO-ALIMENTARI / S.v. Marai ; tutor: E. Ferrari ; coordinatore: R. Pretolani. UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI MILANO, 2013 Feb 13. 25. ciclo, Anno Accademico 2012. [10.13130/marai-simone-virginio_phd2013-02-13].

LA MODELLISTICA TERMO FLUIDODINAMICA NELLO STUDIO DEI PROCESSI DI TRASFORMAZIONE DEI PRODOTTI AGRO-ALIMENTARI

S.V. Marai
2013

Abstract

The model is a conceptual representation (often simplified) of the real world or a its part, able to explain the functioning through a series of laws that represent it. These laws describe the basic principles of a theory and it is not always possible to fully solve it in an analytical way. When this happens it is possible to use numerical techniques to find the solution by means of software packages dedicated to the purpose. The development of the numerical model is composed of three distinct phases: the first (pre-processing) is the insertion of input data concerning the material, the boundary conditions of the process and the definition of the grid of resolution of the spatial domain (mesh) , the second (solver) is the resolution of equations that describe the phenomenon and the third (post-processing) is the visualization of the results. The models are a simple insertion of physical data within a software which uses them to provide a result, but is decisive the quality of the input data for the value or less of a model, and the quality of these data is obtained with rigorous research methods, developed ad hoc for each experience. The emphasis of this thesis is that modeling is not just learning to use a software, which, although extremely complex, definitely not ready for the world of research. The development of a model leading to the development and learning of new research techniques, dealing with different challenges every day, through different approaches from classical procedures, so as to continuously expand the cultural and entering a personal innovative methodology and the successful consolidated methods. There were followed with this method five different studies, which made me deal with problems relating to their specific resolution for each search: • Cooking of bakery products; • Media drying grapes; • Tartaric precipitation in wine; • Heat transfer in a pan; • Cooling system passive Icepack. The baking of a bakery product is an extremely complex process, where an infinite number of transformations physical, chemical and biochemical changes occur. The physical characteristics (particularly the diffusivity of the water within the matrix of the biscuit) are difficult to define, as well as the boundary conditions (absolute humidity of the cooking chamber and heat transfer convective coefficient). The determination of the mesh has been changed from the automatic software to improve the definition of the variables that are involved. Once the equations were solved the different views of the results have allowed us to identify the evolution of the temperature and humidity both spatial and temporally. The model was solved as a simultaneous heat and mass transfer, with a thickening of the mesh in the neighborhood of the points where the variables change more. The characterization of the variables was made with experiments specifically for the occasion. The various supports for the drying of the grapes that have been tested have completely different characteristics, both from a point of view of material (plastic, wood, bamboo, resins) that from a structural point of view (cassettes of different sizes and with different drawings between full and empty spaces). The big issue of this model, which set out the objective of determining the velocity field inside the different containers, has been to define the best geometry for each media type. The drawing representing the cassette in every detail appeared to be extremely complex and therefore with a number of degrees of freedom so high that even a large power computer could not complete the processing. The model, considering the speeds involved, has been resolved by ignoring the details of the parts where the flow of air and the wall appeared to be parallel. Tartaric precipitation of the wine is made by exploiting the different levels of solubility as a function of temperature. In particular to a reduction of the temperature corresponds to a decrease of the solubility. This process, that is a simple cooling, is extremely complex for the involvement of many chemical species and secondary phenomena. The model was solved through a series of models not coupled, each of which deals with one aspect of the phenomenon. The heating of a pan is a search which was performed in order to emphasize the difficulty of modeling the food matrix. It is a study on different steps, in increasing difficulty leading to the definition of the cooking of a disc of potato on a pan. The first model involves the empty pan on a electric heater, and the error between the experimental data and the simulation is around 4%. In the second has been added to the first model an aluminum disk with known properties, and the error is passed to 4.4%. In the third model, the aluminum disk was replaced with a potato disk, the material chosen for the many known properties, and the error is passed to about 22%. The Icepack is a polystyrene box with inside an hermetic case full of frozen water. The latent heat of fusion of ice keeps the internal temperature of the box close to 0 ° C until complete dissolution of ice. This system has been exploited to reduce the heat of the field by blueberries just after harvesting. The process has been simplified without considering the convection inside the box and assuming at first a simpler geometry than that of real blueberries. A subsequent adaptation of the model has provided for the definition of a geometry more similar to the real one (blueberries simulated by means of beads) with an increase of the accuracy of the results.
13-feb-2013
Il modello è una raffigurazione concettuale (molto spesso semplificata) del mondo concreto o di una sua parte, capace di spiegarne il funzionamento attraverso una serie di leggi che bene lo rappresentino. Queste leggi descrivono i principi fondamentali di una teoria e non sempre è possibile risolvere appieno in maniera analitica. Quando ciò accade si utilizzano tecniche numeriche per trovarne la soluzione per mezzo di pacchetti software dedicati allo scopo. Lo sviluppo del modello numerico si compone di tre distinte fasi: la prima (preprocessamento) è l’inserimento dei dati di input riguardanti il materiale, le condizioni al contorno del processo da descrivere e la definizione della griglia di risoluzione del dominio spaziale (mesh), la seconda (solutore) è la risoluzione delle equazioni che descrivono il fenomeno e la terza (postprocessamento) è la visualizzazione dei risultati. I modelli sono un semplice inserimento di dati fisici all’interno di un software che li utilizza per fornire un risultato, ma è determinante la qualità dei dati immessi per valorizzare o meno un modello, e la qualità di questi dati si ottiene con metodi di ricerca rigorosi, messi a punto ad hoc per ogni esperienza. Ciò che vuole essere enfatizzata da questa tesi di dottorato è che la modellistica non è semplicemente imparare ad utilizzare un software, che, pur essendo estremamente complesso, sicuramente non prepara al mondo della ricerca. Ed è questo che fa sì che lo sviluppo di un modello porti allo sviluppo e all’apprendimento di tecniche di ricerca nuove, affrontando ogni giorno sfide differenti, attraverso approcci diversi dai classici procedimenti, in modo da ampliare continuamente il bagaglio culturale personale e inserendo una metodologia innovativa e dal sicuro successo accanto a metodiche oramai consolidate. Sono state seguite con questo metodo 5 differenti ricerche, le quali mi hanno fatto affrontare problematiche relative alla loro risoluzione peculiari per ogni ricerca: • Cottura di prodotti da forno; • Supporti di appassimento uve; • Precipitazione tartrarica nel vino; • Trasmissione del calore su una padella; • Sistema di refrigerazione passiva Icepack. La cottura di un prodotto da forno è un processo estremamente complesso, dove una infinità di trasformazioni fisiche, chimiche e biochimiche avvengono. Le caratteristiche fisiche (in particolar modo la diffusività dell’acqua all’interno della matrice del biscotto) sono di difficile definizione, così come le condizioni al contorno (umidità assoluta dell’aria della camera di cottura e coefficiente di conduttanza convettiva). Anche la determinazione della mesh è stata modificata rispetto a quella automatica del software per migliorare la definizione delle grandezze che sono coinvolte. Una volta ottenuto il risultato le differenti visualizzazioni dei risultati hanno permesso di individuare l’evoluzione della temperatura e dell’umidità sia a livello spaziale che a livello temporale. Il modello è stato risolto come un simultaneo trasferimento di massa e di calore, con un infittimento della mesh nell’intorno dei punti dove maggiormente vengono modificate le grandezze. La caratterizzazione della variabili è stata fatta con sperimentazioni od hoc per l’occasione. I diversi supporti per l’appassimento delle uve che sono stati testati hanno caratteristiche completamente differenti, sia da un punto di vista del materiale (plastica, legno, bambù, resine) che da un punto di vista strutturale (cassette di diverse dimensioni e con differenti disegni tra pieno e vuoto). La grossa problematica di questo modello, che si prefiggeva lo scopo di definire il campo di velocità all’interno dei diversi contenitori, è stato definire la geometria migliore per ogni tipo di supporto. Il disegno che rappresenta la cassetta in ogni suo dettaglio risultava essere estremamente complesso e quindi con un numero di gradi di libertà talmente elevato che anche un computer di grande potenza non riusciva a completare l’elaborazione. Il modello, viste le velocità in gioco, è stato risolto ignorando i dettagli delle parti in cui il flusso di aria e la parete risultavano essere parallele. La precipitazione tartarica del vino viene fatta sfruttando i differenti livelli di solubilità in funzione della temperatura. In particolare a una diminuzione della temperatura corrisponde un decremento della solubilità. Questo processo, molto semplice impiantisticamente in quanto è un raffreddamento, è estremamente complesso per il coinvolgimento di molte specie chimiche e fenomeni secondari. Il modello è stato risolto attraverso una serie di modelli non accoppiati, ognuno dei quali si occupa di un aspetto del fenomeno. Il riscaldamento di una padella è una ricerca che è stata eseguita per enfatizzare la difficoltà della modellazione della matrice alimentare. È uno studio a differenti step, a difficoltà crescente che portano alla definizione della cottura di un disco di patata su una padella. Il primo modello riguarda la padella vuota messa a scaldare, e l’errore tra i dati sperimentali e la simulazione è intorno al 4%. Nel secondo è stato aggiunto al primo modello un disco di alluminio con proprietà note, e l’errore è passato al 4.4%. Nel terzo modello il disco di alluminio è stato sostituito con uno di patata, materiale scelto per le molte proprietà note, e l’errore è passato a circa il 22%. L’Icepack è un contenitore di polistirolo con all’interno una busta ermetica piena di acqua congelata. Sfruttando il calore latente di fusione del ghiaccio la temperatura interna del contenitore resta prossima a 0 °C fino al completo scioglimento del ghiaccio. Questo sistema è stato sfruttato per ridurre il calore di campo dai mirtilli appena dopo la raccolta. Il processo è stato semplificato non considerando la convezione interna alla scatola e ipotizzando in un primo momento una geometria più semplice rispetto a quella reale dei mirtilli. Un successivo adattamento del modello ha previsto la definizione di una geometria più simile a quella reale (mirtilli simulati per mezzo di sfere) con un incremento della accuratezza dei risultati.
Settore AGR/15 - Scienze e Tecnologie Alimentari
Settore ING-IND/11 - Fisica Tecnica Ambientale
Settore AGR/09 - Meccanica Agraria
finite element method ; thermo fluid dynamic modelling
FERRARI, ENRICO
PRETOLANI, ROBERTO
Doctoral Thesis
LA MODELLISTICA TERMO FLUIDODINAMICA NELLO STUDIO DEI PROCESSI DI TRASFORMAZIONE DEI PRODOTTI AGRO-ALIMENTARI / S.v. Marai ; tutor: E. Ferrari ; coordinatore: R. Pretolani. UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI MILANO, 2013 Feb 13. 25. ciclo, Anno Accademico 2012. [10.13130/marai-simone-virginio_phd2013-02-13].
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
phd_unimi_R08638.pdf

accesso aperto

Tipologia: Tesi di dottorato completa
Dimensione 6.08 MB
Formato Adobe PDF
6.08 MB Adobe PDF Visualizza/Apri
Pubblicazioni consigliate

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/2434/217270
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact