Numerical and experimental investigation of a cross-flow water turbine

A numerical and experimental study was carried out for validation of a previously proposed design criterion for a cross-flow turbine and a new semi-empirical formula linking inlet velocity to inlet pressure. An experimental test stand was designed to conduct a series of experiments and to measure the efficiency of the turbine designed based on the proposed criterion. The experimental efficiency was compared to that from numerical simulations performed using a RANS model with a shear stress transport (SST) turbulence closure. The proposed semi-empirical velocity formula was also validated against the numerical solutions for cross-flow turbines with different geometries and boundary conditions. The results confirmed the previous hydrodynamic analysis and thus can be employed in the design of the cross-flow turbines as well as for reducing the number of simulations needed to optimize the turbine geometry

A New Device for Pressure Control and Energy Recovery in Water Distribution Networks

The potential energy of the water in Water Distribution Networks (WDNs) usually exceeds the amount needed for delivery and consumption and, at the present time, it is mainly dissipated through Pressure Reducing Valves (PRVs) or Open Water Tanks. The present study suggests the use of a new energy-producing device, a Cross-flow turbine with positive outlet pressure named PRS (Power Recovery System), which can provide the same service as PRVs and water tanks, with additional significant hydropower production. After a short presentation of the PRS, the management rules of the proposed device are laid out, according to two possible modes. In the \u2018passive\u2019 mode, the piezometric level downstream of the turbine is fixed at the sought after value, in the \u2018active\u2019 mode, the discharge is regulated according to the required value. The design criterion is then presented, based on a simple relationship linking dimensionless numbers. A PRS is finally designed for a typical water distribution network, serving the city of Palermo (Italy). The resulting cost-benefit analysis is compared with a similar one carried out in previous work for a regulation system based on the use of a Pump As Turbine (PAT). The comparison shows the improvement obtained by the use of the PRS, consisting of higher energy production, as well as lower construction and installation costs

Energy Recovery Optimization by Means of a Turbine in a Pressure Regulation Node of a Real Water Network Through a Data-Driven Digital Twin

In recent years, various devices have been proposed for pressure regulation and energy recovery in water distribution and transport networks. To provide a real net benefit, they require a dedicated long-distance management system in order to carry on both hydrau- lic regulation and electricity production without direct human manual operations. This work presents a new proposal for the management of a pressure regulation system based on the PRS turbine. The proposal is applied to a real water distribution network, named Montescuro Ovest pipeline, at the San Giovannello station. The Real Time Control (RTC) logic currently applied at San Giovannello station is first presented and discussed. A new Advanced Real Time Control (ARTC) logic is then proposed, based on direct configura - tion of the turbine and the surrounding valves as computed by the solution of an optimiza- tion problem. In ARTC a digital twin, including the hydraulic model of the surrounding network, provides a one-to-one relationship between the configuration parameters and the state variables, i.e. flow rates and pressures. The digital twin model equations are continu - ously updated on the basis of the recorded measures. Besides providing almost identical performance to the current RTC logic in the current operational scenario, the improved ARTC is more robust, in that it guarantees better hydropower generation in modified oper- ational scenarios, as shown in specific tests. The proposed methodology constitutes a new approach to regulating the valves in hydroelectric plants which are currently regulated with traditional automation algorithms

Costruzione e sperimentazione di una turbina cross-flow per acquedotti

La memoria descrive una nuova micro turbina idraulica con capacità di regolazione della portata, per installazioni in piccoli corsi d’acqua, su acquedotti esistenti o a valle di impianti di depurazione delle acque. Viene inoltre descritta l’installazione del prototipo della turbina nella rete idropotabile di un comune siciliano

Un modello 1D-2D di acque basse per il calcolo della propagazione di piene naturali

Le equazioni 2D del Saint-Venant (SV), o delle acque basse (shallow water), si utilizzano ampiamente per le simulazioni idrodinamiche in fiumi, laghi, zone di estuari e zone golenali. Come ampiamente descritto in letteratura, in base ai termini che si trascurano nell'equazione del momento, si possono distinguere modelli completi, cinematici, diffusivi e a zero inerzia convettiva. Escludendo eventi estremi di shock, nella normalità dei casi relativi a fenomeni di inondazione, si possono trascurare i termini inerziali nell'equazione del momento, ottenendo il modello diffusivo. La scelta del modello da utilizzare dipende anche dalla disponibilità e dall'accuratezza dei dati di input (Smith et al., 2004), nonché dall'accuratezza richiesta ai risultati dal problema gestionale che motiva l'uso del modello. I dati di input sono per esempio la topografia, le proprietà idrauliche dei tratti di fiume e delle zone golenali, la conoscenza degli idrogrammi di ingresso. La soluzione del modello completo è molto sensibile all'errore commesso nella stima delle quote topografiche (Aricò et al., 2011), mentre il modello cinematico non è in grado di simulare processi di backwater. Nel presente lavoro si propone un modello diffusivo che è particolarmente adatto alla simulazione degli eventi di piena, quando il dominio di calcolo è costituito dalla parte centrale del canale, in cui si realizza una propagazione di tipo sostanzialmente monodimensionale, nonché dalle fasce laterali, dove la corrente può divagare secondo uno schema tipicamente bidimensionale. Il modello proposto è di tipo predizione-correzione e garantisce la conservazione della massa, sia localmente che globalmente. Le equazioni di governo sono risolte su mesh miste, composte da domini 2D, discretizzati con elementi triangolari, e da domini 1D discretizzati da elementi quadrilateri. Nei domini 1D si assume una quota piezometrica costante nella direzione normale al flusso, nonché la relazione fra il gradiente piezometrico e la portata data dalla legge di resistenza propria delle sezioni di forma complessa. I flussi scambiati lateralmente con il dominio 2D sono calcolati invece in base alla discretizzazione spaziale degli elementi triangolari. Ciò consente di calcolare il flusso principale, nella direzione dell'alveo, tenendo conto mediante la legge di resistenza anche degli sforzi turbolenti causati dai vortici con asse verticale all'interno dell'alveo, sforzi che altrimenti verrebbero trascurati anche applicando un tradizionale modello completo 2D di acque basse. Utilizzando la schematizzazione suddetta è altresì possibile evitare un drastico aumento della densità della mesh all'interno dell'alveo, altrimenti necessario per una corretta rappresentazione del fondo. Un ulteriore vantaggio dell'approccio diffusivo consiste nel fatto che l'onere computazionale risulta poco più che proporzionale al numero di elementi di calcolo e non vi è per la stabilità delle soluzione alcuna restrizione del passo temporale, in base al massimo numero di Courant calcolato nel dominio di calcolo. L'approccio diffusivo consente infine di trattare facilmente le discontinuità esistenti lungo gli elementi 1D a causa di briglie o salti, ovvero a causa di pareti laterali sub-verticali. Il sistema di equazioni di governo alle derivate parziali si risolve ad ogni livello temporale frazionandolo in un sistema di predizione ed uno di correzione. Si dimostra che il sistema di predizione ha le caratteristiche funzionali di un problema puramente convettivo, mentre quello di correzione ha le caratteristiche funzionali di un problema puramente diffusivo. L'input del modello è costituito, per il dominio 1D, dalla geometria delle sezioni trasversali degli elementi 1D, assegnate mediante serie di punti quotati, nonché dalle linee di livello e/o da singoli punti quotati per quanto concerne il dominio 2D. Il software denominato NETGEN (Schöberl, 1997), genera quindi una o più mesh triangolari, separate dai canali del dominio 1D. Questi vengono eventualmente frazionati in più elementi di lunghezza inferiore, mediante l'inserimento di nodi che sono condivisi sia dai lati dei triangoli adiacenti che dai lati degli elementi quadrilateri. Nel modello proposto, le celle di calcolo sono in numero pari al numero dei nodi computazionali. Per i nodi che si trovano nel dominio 2D la cella di calcolo coincide con il poligono di Voronoi definito intorno al nodo, per i nodi che appartengono sia al dominio 2D che ai canali 1D, la cella di calcolo è data dall'unione dei poligoni di Voronoi relativi ai triangoli che condividono i due nodi sul lato generico del canale ortogonale alla direzione dell'alveo, più la metà della superficie di ognuno dei due elementi quadrilateri che condividono lo stesso lato. Il problema di predizione si risolve mediante una tecnica ad avanzamento spaziale e temporale (MAST), dove i flussi sono calcolati seguendo un approccio di tipo Euleriano e dove le celle di calcolo sono risolte secondo un particolare ordine, che garantisce la conoscenza dei flussi entranti in ogni cella immediatamente successiva a quelle già risolte. Nel problema diffusivo i flussi sono calcolati risolvendo un sistema lineare con M-matrice, sparsa, simmetrica e definita positiva. La dimensione del sistema è pari al numero delle celle di calcolo. La formulazione proposta è in grado di gestire processi wetting/drying senza richiedere alcun trattamento specifico. L'applicazione della suddetta procedura MAST è stata proposta in passato, coerentemente con l'approssimazione diffusiva, ignorando la presenza dei risalti idraulici. Nel presente lavoro la presenza dei risalti, e la conseguente dissipazione di energia, viene invece ricostruita ipotizzando un movimento lento del risalto, ed individuandone la posizione all'interno di tre sezioni. La prima sezione deve corrispondere ad una corrente veloce, la terza ad una corrente lenta. Il risalto viene localizzato tra la prima e la seconda sezione se la spinta totale della seconda è minore della terza, fra la seconda e la terza viceversa. Nel problema di predizione la sezione iniziale del risalto viene trattata come una sezione di valle con condizione al contorno di diffusione nulla. Nel problema di correzione si trascura invece la diffusione nel canale compreso fra le due sezioni precedente e seguente il risalto

effect of cold drawing on mechanical properties of biodegradable fibers

The use of biodegradable polymers is increasingly attracting interest over the last years, since they can reduce the environmental effects related to disposal of traditional plastics and, in general, the use of fossil, non-renewable resources. One of the most promising applications is represented by fibers production. However, the orientation and the crystallinity degrees can significantly affect the mechanical properties. Therefore, it is of interest to investigate on the optimum processing conditions, in order to improve the mechanical properties. In particular, while crystallinity can be slightly modified by the processing, orientation can be significantly improved. In this work, the effects of hot stretching on the mechanical and structural properties of fibers made from two different families of biodegradable blends were investigated. The orientation proved to significantly change the mechanical properties, and it was shown that factors such as the different relaxation times, the different crystallization temperatures and the cooling rate can give opposite effects in the three investigated polymer systems with significant consequences on the mechanical behaviour of the fibers. In particular, the behaviour during fiber production in hot stretching, and the orientation mechanisms were studied and explained on the basis of rheological and thermal properties of the polymers

Effect of the processing on the properties of biopolymer based composites filled with wood flour

Wood-polymer composites (WPCs) are well known today in the field of industrial applications, because of several advantages they can grant if compared with mineral filler-polymer composites. These advantages regard the low cost of wood based fillers, the reduced specific weight, the lower hazards for production workers in case of inhalation, the special aesthetic features, environmental issues. The scientific literature reports studies regarding polymer matrices like, for instance, polyethylene and polypropylene, in combination with several natural-organic fillers. However, a limit of these composites is represented by the fact that there is not a full biodegradability: this, in fact, regards only the filler, therefore the environmental performance is lower than expected. To overcome this limit, it is necessary to replace the traditional, non- biodegradable polymer matrices (typically, polyolefins) with biodegradable ones. An available solution consists in the use of biodegradable polymers like, for instance, those belonging to the Mater-Bi® family

OCT is not useful for detection of minimal diabetic retinopathy in type 1 diabetes.

Optical coherence tomography (OCT) has been proven useful in measuring retinal thickness (RT) in patients with diabetes, although with discordant results in different studies. We examined RT in patients with type 1 diabetes (T1D) with or without minimal diabetic retinopathy (MDR) to test whether OCT is able to identify early retinal changes and potential correlations with metabolic parameters. RT of 102 patients with T1D (53 females, 49 males, aged 27.03 +/- 7.4 years) and of 42 healthy controls was examined, with analysis of nine different sectors (fovea, four pericentral and four peripheral sectors). According to the results of basal fundus photography, patients were divided into two groups, without MDR (48 cases) and with MDR (54 cases). Patients with proliferative DR or macular edema were excluded. No difference was found between patients with or without MDR and the control group for all OCT parameters investigated. Mean HbA1c of the last 5 years (P < 0.001), microalbuminuria (P = 0.002), total (P = 0.046) and LDL cholesterol (P = 0.007) and triglyceride (P < 0.001) levels were higher in patients with MDR, along with higher prevalence of hypertension (P = 0.013), younger age at diagnosis (P = 0.018) and longer diabetes duration (P < 0.001) with regard to the patients without MDR and controls, although no significant correlation between these parameters and RT was found. Our study suggests that MDR without macular edema in patients with T1D cannot be detected with OCT. Therefore, the conventional diagnostic methods are mandatory to detect early DR

Coupled Hydraulic and Electronic Regulation for Banki Turbines

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Compatibilization of Polypropylene/Polyamide 6 Blend Fibers Using Photo-Oxidized Polypropylene

The use of polyamide/polyolefin blends has gained importance and concern for years, but they also show some issues to be adequately addressed, such as the incompatibility between the two components. This is usually overcome by using suitable compatibilizers, typically based on functionalized polyolefins. However, there is only little information about the use of a degraded polyolefins to induce compatibilization. This is even truer, as far as polyamide 6/polypropylene (PA6/PP) blends are concerned. In this work, compatibilization of PA6/PP blends by using small amounts of photo-oxidized PP was investigated; furthermore, the effects due to the presence of the photo-oxidized PP were studied also in relationship to the spinning operation, where the existence of the non-isothermal elongational flow can lead to significant, further morphological changes. It was found that isotropic samples showed significant enhancements of the tensile properties upon adding the photo-oxidized PP. Under non-isothermal elongational flow conditions, the presence of the photo-oxidized PP was particularly effective in improving the mechanical properties in comparison to the uncompatibilized blend fibers. Furthermore, an important result was found: The elongational-flow processing allowed obtaining anisotropic samples where the improvements of the properties, in comparison to the isotropic samples, were similar to those achieved by using a compatibilizer