simulazione di un sistema termico per il rilevamento di oggetti sepolti

Università degli Studi di Roma “Sapienza”
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica
SIMULAZIONE DI UN SISTEMA
TERMICO PER IL RILEVAMENTO
DI OGGETTI SEPOLTI
Tesi a cura di
Paolo Fallavollita
Relatore
Prof. Ing. Marco Balsi
Correlatore
Ing. Salvatore Esposito
Secondo Relatore
Ing. Micaela Liberti
Schema
 State of Art
 Descrizione della sperimentazione in lab
 Analisi ed obiettivi del modello
 Finite Elements Method (FEM)
 Modello matematico
 Fitting dati sperimentali e risultati ottenuti
 Test sistematici
 Analisi su altri materiali (archeologia)
 Conclusioni e prospettive
State of Art
Ground Penetrating Radar (GPR)
Metal Detector
Sistema reale del Laboratorio Sminamento Umanitario
(LSU)
C
t
l
v
HEATER
PYROMETER
P
H
Terreno
Oggetto
ContrastoTermico: T(mine soil)-T(free soil) =f( P/v , l/v , H )
Rilevamento termico utilizzato in lab
Sistema basato su rilevamento del contrasto termico dovuto
alla diversità tra i parametri termici dei vari materiali presenti
nello scenario (suolo, aria nella mina, esplosivo, contenitore)
 K conducibiltà termica
 c capacità termica
ρ

ρ
densità
K
α=
ρc
diffusività
Obiettivi del modello
 Virtualizzazione dell’intero sistema per finalità di analisi
 Raggiungimento di un elevato livello di approssimazione (errore →0)
 Possibilità di test e verifiche progettuali direttamente su di
esso senza dover effettuare esperimenti reali (lunghi e laboriosi)
 Estensione del know-how alla ricerca archeologica e medico forense
Il modello sostituisce tout court il sistema in lab
Finite Elements Method (FEM)
Utilizzo dei moduli Comsol:
 Core base
 Heat Transfer
 Weakly Compressible Navier-Stokes
Costruzione modello mina: dati di partenza disponibili
Disegno declassificato sezione mina
Costruzione modello 3D mina
Mina modello TS-50
Modello 3D mina: valutazione volumi interni
Mina modello T-S 50
Cavità d’aria
Esplosivo RDX
Modello matematico
 Equazioni di trasferimento di calore per conduzione, convezione,
irradiazione (fondamentale per radiatori IR)
∂T
+ ∇ ⋅ (−k ∇T )= q + h (T∞ − T )
ρ cp
∂t
 Condizioni al contorno:
• continuità termica su tutta la mina
• temperatura prefissata su pareti del box in legno (T ambiente)
• flusso di calore q sulla superficie del terreno per
simulazione movimento radiatore
(logica booleana nella boundaries condition)
Difficoltà:
 “tuning” contemporaneo di circa dieci parametri del modello
 accuratezza garantita per tempi di simulazione elevati ( ordine dei 4500 s)
 tempi di calcolo del simulatore dell’ordine delle ore
Modello : scelta dei materiali
 Problema della caratterizzazione dei parametri termici del suolo:
grande variabilità
 Problema della determinazione dei parametri termici di:
• contenitore mina
• esplosivo RDX
• parti metalliche interne (<3%)
 Problema della modellizzazione dell’aria nelle cavità della mina
(moti convettivi ?)
 Problema dell’efficienza dei radiatori IR
Modello apposito
Difficoltà insita nella scelta dei materiali:
molti di essi risultano segreto militare
Studio efficienza radiatore mediante apposito modello
Radiatore IR: creazione moti convettivi
Studio efficienza radiatore mediante apposito modello
Radiatore IR:
massimo flusso
di calore nel terreno
Il modello appositamente costruito per il radiatore ne ha calcolato
la quota di calore ceduta al terreno pari al 55% che, inserita nel modello
generale del sistema, produce il massimo dell’accuratezza.
Studio efficienza radiatore mediante apposito modello
Radiatore IR: moti convettivi nella stanza del lab
Studio efficienza radiatore mediante apposito modello
Radiatore IR: moti convettivi nella stanza del lab
Profili T(x) e decadimenti T(t)
 Profilo T(x) : “fotografia” all’istante t dell’andamento della temperatura lungo
l’asse x della linea di scansione
 Decadimento T(t): fissato un punto della superficie del terreno, risulta essere
l’andamento della temperatura al variare del tempo su di esso
Riallineamento dati sperimentali T(x) generati dal pirometro
Raw data
Aligned data
Utilizzo di uno script appositamente scritto in Matlab per il calcolo del baricentro
Effetto moti laminari nelle cavità d’aria
Se la deltaT tra il ceiling
ed il floor della cavità
d’aria nella mina entra
nella zona rossa si attiva
Il moto convettivo
Script scritto in Matlab per la comparazione dei dati su 18 punti test
Errore di approssimazione su T(t) ad x fissato
Considerato il punto (x=0.74m) della superficie sovrastante il centro della mina, su esso
il pirometro (nel lab) passa 53 istanti diversi, per ciascuno è stato rappresentato il valore
T(t) ad x fissato e comparato con il corrispettivo T(t) calcolato dal modello finale Comsol
Errore maggiore del modello per t bassi ma il rilevamento è fatto per t>1000 in
quanto prima il forte rumore termico “annega” il segnale di contrasto
Errore di approssimazione su T(t) ad x fissato
Considerando i 53 istanti di passaggio del pirometro (nel lab) su un punto x, per ciascuno
è stato valutato Il T(t) ad x fissato e comparato con il corrispettivo T(t) calcolato dal
Modello Comsol
53
∑ T (t )
− T (t )comsol
i =1
Err % avg 100
=
x x
53
∑ T (t )reale
reale
i =1
Errore su mina < 1.3%
Risultati
Identificazione dell’oggetto mediante contrasto termico
Risultati
Possibilità di studio di dinamiche termiche nascoste
Tests sistematici
Effetto della profondità
Energia assorbita:
rapporto P/v
Tests
sistematici
Tipologie di terreno
Effetto dell’offset
Tests sistematici
Disposizione dei radiatori
Analisi su altri materiali
Vaso in terracotta
Neolitico medio
(6000-5500 BC)
Analisi su altri materiali
Spada medievale
in acciaio
Analisi su altri materiali
Analisi su altri materiali
Femore umano
(Eneolitico)
Analisi su altri materiali
Blocchi murari in pietra
Conclusioni
 Tutti gli obiettivi ipotizzati raggiunti
 Errore di approssimazione ottenuto migliore delle aspettative
 Metodologia di sviluppo del modello non per banale permutazione dei parametri
ma tramite progressivo miglioramento ed upgrade del set di equazioni
e di nuove dinamiche fisiche riscontrate
 Il modello definitivo spiega e permette l’analisi di fenomeni ipotizzabili ma
non visibili durante i test sperimentali perché nascosti
 Spunti progettuali futuri evidenziati dai test
 Nuove protezioni sulle lampade per evitare dispersione verso i bordi
 Ottimizzazione del posizionamento del set di radiatori (sequenza)
 Applicabilità al campo archeologico
Prospettive
 Modello del suolo con dinamiche dell’acqua e dell’aria contenuta
 Sarà base di partenza per studio di altre metodologie di ricerca:
 Riscaldamento a microonde o laser (maggiore efficienza ?)
 Sollecitazione acustico/meccanica e rilevamento tramitle laser LDV,
microfoni
 Valutazione dello scattering E.M. (GPR)
Never more it must happen
Grazie