Auto-organizzazione e variabilità spaziale di eventi di disturbo come fattori strutturanti i popolamenti ad alghe ed invertebrati di costa rocciosa.

Il seguente lavoro di tesi nasce dall’osservazione sul campo della distribuzione spaziale di Cystoseira compressa, una delle specie algali canopy-forming più caratteristiche del popolamento di battigia di substrato roccioso del Mediterraneo. I popolamenti di C. compressa colonizzano l’intertidale roccioso con la formazione di “cinture” distribuite in modo eterogeneo lungo l’asse orizzontale della costa. Tale eterogeneità è data dalla presenza di chiazze di roccia nuda di svariate dimensioni che verosimilmente riflettono eventi di disturbo meccanico causato dalle mareggiate. Secondo l’approccio ecologico classico, queste tipologie di distribuzione spaziale riflettono variazioni delle caratteristiche ambientali: fattori biotici, abiotici e le loro interazioni (es. moto ondoso, temperatura, predazione,competizione) e variazioni di reclutamento. Una teoria ecologia emergente, nota come “Self-organized Criticality” (SOC), individua in processi endogeni agli organismi stessi (o comunque dovuti ad interazioni tra gli organismi ed il microambiente circostante) la causa della variabilità spazio-temporale dei popolamenti. Si tratta di processi che, agendo a scala locale, influenzano l’organizzazione dei sistemi naturali a grande scala grazie alla capacità di tali sistemi di auto-organizzarsi in strutture più complesse della somma delle loro parti. L’analisi sperimentale ha l’obiettivo di confrontare la risposta dei popolamenti ad alghe ed invertebrati associati a C. compressa ad eventi di disturbo meccanico, generati per simulare gli effetti di forti mareggiate. Gli eventi di disturbo sono applicati secondo criteri diversi in grado di discriminare tra processi di autorganizzazione e processi di risposta dei popolamenti alla variabilità ambientale. In un caso viene esaminata la risposta dei popolamenti ad eventi di disturbo distribuiti in modo casuale nello spazio alla prima applicazione, ed andando a disturbare i margini di chiazze precedentemente disturbate nelle applicazioni successive. In questo modo vengono simulati processi che operano soltanto a piccola scala (ai margini delle chiazze disturbate), generando la condizione fondamentale per l’emergenza di modalità distributive su scale spaziali più ampie qualora processi SOC siano importanti. In un secondo caso sono esaminate le risposte dei popolamenti ad eventi di disturbo distribuiti nello spazio secondo un gradiente di intensità, in accordo con la teoria classica secondo cui è la variabilità spaziale dei processi ecologici (disturbo in questo caso) a generare variabilità nei popolamenti. Il lavoro è iniziato nell’autunno 2009 e si concluderà nell’estate 2010 ed è condotto lungo il litorale di Calafuria (Livorno). All’interno dell’habitat indagato sono stati scelti 15 transetti (composti ciascuno da 6 quadrati contigui di 30cm x 30cm) assegnati alle diverse condizioni sperimentali. Il fattore Disturbo (2 livelli: SOC e Spazialmente Distribuito) incrociato al fattore Intensità (2 livelli: Alta e Bassa) e per ciascuna combinazione di fattori sono presenti 3 repliche. Tre transetti sono stati assegnanti al Controllo. Il disturbo consiste nella asportazione di organismi eretti dalla roccia mediante martello e scalpello, in modo da generare chiazze di substrato di 5 x 5 cm disponibili per la colonizzazione da parte di altri organismi. Gli eventi di disturbo sono ripetuti nel tempo distribuendo 12 e 24 chiazze rispettivamente per i trattamenti a bassa ed alta intensità, secondo le tipologie di distribuzione spaziale descritte precedentemente. I dati sono stati acquisiti mediante campionamenti visivi di ricoprimento percentuale dei vari taxa presenti nei popolamenti dei vari transetti in ogni data di campionamento, prima e dopo ciascun trattamento effettuato nel corso dell’intero esperimento. Comparando gli effetti delle due tipologie di disturbo rispetto a chiazze non manipolate è stato possibile stabilire al termine dell’esperimento l’importanza relativa dei processi SOC rispetto all’alternativa secondo cui la variabilità dei popolamenti è dovuta all’azione di un disturbo spazialmente distribuito. Anche se è verosimile che in ambienti naturali sia l’una che l’altra classe di processi (SOC e SPD) cooperino nell’influenzare la variabilità dei popolamenti, dai risultati ottenuti emergono differenze statisticamente significative tra le due tipologie di disturbo applicate. Questa conclusione rappresenta il presupposto fondamentale perché la Cystoseira ed il popolamento ad essa associato possano, di fatto, auto-organizzarsi in natura. Tuttavia, per poterlo affermare con certezza, è necessario condurre altri studi che valutino se i trattamenti SOC convergono verso strutture che si osservano naturalmente (non cinture omogenee, come quelle usate nel presente lavoro di tesi, ma che presentano chiazze di rimozione di svariate dimensioni causate dalle mareggiate). Se questo accade, allora e solo allora si potrà concludere che gli eventi di auto-organizzazione sono importanti nel sistema studiato

Machine Learning Algorithms for Flow Pattern Classification in Pulsating Heat Pipes

Owing to their simple construction, cost effectiveness, and high thermal efficiency, pulsating heat pipes (PHPs) are growing in popularity as cooling devices for electronic equipment. While PHPs can be very resilient as passive cooling systems, their operation relies on the establishment and persistence of slug/plug flow as the dominant flow regime. It is, therefore, paramount to predict the flow regime accurately as a function of various operating parameters and design geometry. Flow pattern maps that capture flow regimes as a function of nondimensional numbers (e.g., Froude, Weber, and Bond numbers) have been proposed in the literature. However, the prediction of flow patterns based on deterministic models is a challenging task that relies on the ability of explaining the very complex underlying phenomena or the ability to measure parameters, such as the bubble acceleration, which are very difficult to know beforehand. In contrast, machine learning algorithms require limited a priori knowledge of the system and offer an alternative approach for classifying flow regimes. In this work, experimental data collected for two working fluids (ethanol and FC-72) in a PHP at different gravity and power input levels, were used to train three different classification algorithms (namely K-nearest neighbors, random forest, and multilayer perceptron). The data were previously labeled via visual classification using the experimental results. A comparison of the resulting classification accuracy was carried out via confusion matrices and calculation of accuracy scores. The algorithm presenting the highest classification performance was selected for the development of a flow pattern map, which accurately indicated the flow pattern transition boundaries between slug/plug and annular flows. Results indicate that, once experimental data are available, the proposed machine learning approach could help in reducing the uncertainty in the classification of flow patterns and improve the predictions of the flow regimes

A Modular Rack for Shared Thermo-Fluid Dynamics Experiments in Reduced Gravity Environment

Abstract Parabolic flights represent an important tool for short space-related experiments under reduced gravity conditions. During the ballistic flight manoeuvres, the investigators have the possibility to operate their experiments, in a laboratory-like environment, where the level of gravity subjected to the experiments repetitively in a series of periods of reduced gravity, preceded and followed by periods of hypergravity. Aboard large aircraft, the duration of this phases varies from approximately 20 s for a 0g flight up to up to 32 s for a Martian g level. A parabolic flight rack able to host experiments concerning thermo-fluid dynamics, has been designed, realized and qualified during the ESA 66th Parabolic Flight Campaign. This microgravity research platform, is the first UK facility available for such investigations, providing a data acquisition system, cooling system and heating system compliant with Novespace requirements

SACCHAROMYCES CEREVISIAE BIODIVERSITY IN MONFERRATO, NORTH WEST ITALY, AND SELECTION OF INDIGENOUS STARTER CULTURES FOR BARBERA WINE PRODUCTION

The aim of this study was to examine the biodiversity of Saccharomyces cerevisiae isolates from Barbera grapes and musts, from the Monferrato area, in the Piedmont region – North West Italy. An interdelta element PCR analysis was used to identify and discriminate 636 S. cerevisiae isolates at a strain level. Ninety-six S. cerevisiae that showed different molecular fingerprints were characterized through physiological tests and laboratory scale fermentations. A chemical analysis of experimental wines obtained from inoculated fermentations showed significant differences between the wines. The main variables considered in the strain differentiation were the residual sugars and the production of acetic acid, which ranged from 148.64 to 3.44 g/l and from 0.20 to 0.60 g/l, respectively. As a consequence, strain variability should be considered as a relevant resource to select suitable starter cultures in order to improve or characterize wines with a close bond to the geographic region

Developing flow pattern maps for accelerated two-phase capillary flows

The prediction offlow pattern transitions is extremely important to understand the coupling of thermal andfluiddynamic phenomena in two phase systems and it contributes to the optimum design of heat exchangers. Twophaseflow regimes have been extensively studied under controlled massflow rate and velocity. On the otherhand, less effort has been spent in the literature on the cases where theflow motion is purely thermally inducedand consequently the massflow rate or the velocity of the phases are not known a priori. In the present work,flow pattern transitions and bubble break-up and coalescence events have been investigated in a passive twophase wickless capillary loop, where the massflow rate is intrinsically not controllable. Modified Froude, Weberand Bond numbers have been introduced, considering the actual acceleration of thefluid and the length of thebubble as merit parameters for the transitions. The proposed nondimensional investigation was developed byanalysing experimental data obtained with ethanol and FC-72, as workingfluids, different heat input levels(from 9 to 24 W) as well as three different gravity levels (through a parabolicflight campaign). A new empiricaldiabaticflow pattern map for accelerated two-phase capillaryflows is presented, together with quantitativecriteria for the calculation of theflow regime transitions, defining the physic limits for the bubble coalescenceand break-up. This kind of new regime maps will be useful to the further development of comprehensive de-signing tools for passive two-phase wickless heat transfer devices