Development and validation of a test bench for bio-inspired filtration system using numerical and computational analysis

Access to clean drinking water is an ongoing challenge that affects billions of people worldwide due to water scarcity and contamination issues. Traditional water treatment methods can be effective, but they often demand a lot of resources, infrastructure, and chemicals, which limits their availability and sustainability. To tackle this problem, the thesis explores bio-inspired filtration systems as a new approach to achieve water purification. The main goal is to create, analyse, and validate a test bench that assesses how well these bio-inspired filters perform under controlled conditions. The researcher employed a thorough methodology that included numerical analysis to set baseline parameters, along with computational fluid dynamics (CFD) simulations using Ansys Fluent to understand the behaviour of fluids in the system. Additionally, experimental validations were conducted, focusing on pressure drop, filtration efficiency, and flow rate. The design of the test bench features universal fixations, adjustable configurations, and a mechanism for reversible flow, making it versatile enough for various filter designs. Priority was given to pressure regulation and minimising water hammer effects to maintain operational stability. The studies indicate that bio-inspired filters show significant promise in terms of filtration efficiency and enhanced flow characteristics, positioning them as a viable alternative to conventional chemical-based treatment methods. The insights gained from both numerical and CFD analyses shed light on the fluid dynamics within the system, confirming the reliability of the proposed design. These results contribute to the development of sustainable water treatment technologies and pave the way for future experimental work and practical applications. Ultimately, this research highlights the potential of bio-inspired solutions in tackling global water challenges, offering an innovative, scalable, and eco-friendly method for purifying water.

L'accesso all'acqua potabile è una sfida continua che riguarda miliardi di persone in tutto il mondo a causa della scarsità d'acqua e dei problemi di contaminazione. I metodi tradizionali di trattamento dell'acqua possono essere efficaci, ma spesso richiedono molte risorse, infrastrutture e sostanze chimiche, il che ne limita la disponibilità e la sostenibilità. Per affrontare questo problema, la tesi esplora i sistemi di filtrazione bio-ispirati come nuovo approccio per ottenere la purificazione dell'acqua. L'obiettivo principale è creare, analizzare e convalidare un banco di prova che valuti le prestazioni di questi filtri bio-ispirati in condizioni controllate. Il ricercatore ha impiegato una metodologia approfondita che comprendeva l'analisi numerica per stabilire i parametri di base e le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) con Ansys Fluent per comprendere il comportamento dei fluidi nel sistema. Inoltre, sono state condotte convalide sperimentali, concentrandosi su caduta di pressione, efficienza di filtrazione e portata. Il design del banco di prova è caratterizzato da fissaggi universali, configurazioni regolabili e un meccanismo per il flusso reversibile, che lo rende sufficientemente versatile per vari progetti di filtri. È stata data priorità alla regolazione della pressione e alla minimizzazione degli effetti del colpo d'ariete per mantenere la stabilità operativa. Gli studi indicano che i filtri bio-ispirati mostrano una promessa significativa in termini di efficienza di filtrazione e di miglioramento delle caratteristiche di flusso, ponendoli come una valida alternativa ai metodi di trattamento convenzionali basati su sostanze chimiche. Gli approfondimenti ottenuti dalle analisi numeriche e CFD hanno fatto luce sulla dinamica dei fluidi all'interno del sistema, confermando l'affidabilità del progetto proposto. Questi risultati contribuiscono allo sviluppo di tecnologie sostenibili per il trattamento delle acque e aprono la strada a futuri lavori sperimentali e applicazioni pratiche. In definitiva, questa ricerca evidenzia il potenziale delle soluzioni bio-ispirate nell'affrontare le sfide idriche globali, offrendo un metodo innovativo, scalabile ed ecologico per la purificazione dell'acqua.