Academic literature on the topic 'FLUIDODINAMICA AMBIENTALE (ENVIROMENTAL FLUID MECHANICS)'

2007/2008
Mesocicloni e tornado sono intensi vortici atmosferici, molto rilevanti nella quotidiana attività umana essendo associati a fenomeni atmosferici tra i più violenti. Nello specifico, i mesocicloni sono associati ad intense precipitazioni mentre durante un fenomeno tornadico la massima velocità orizzontale può raggiungere i 120 m/s. Sebbene alcuni schemi fenomenologici per la previsione di intensi vortici verticali in atmosfera siano presenti (ad esempio gli schemi CAPE-SHEAR), l'efficacia di tali schemi rimane molto limitata come rimane lacunosa una chiara spiegazione della (termo)dinamica che porta alla formazione di tali vortici. Questo lavoro di tesi si propone di fornire una migliore comprensione della formazione di questi fenomeni in atmosfera fornendo una base teorica capace di capire e valutare i limiti e le zone di validità dei comuni schemi di previsione tornadica. Dopo due capitoli, uno di introduzione ed uno di revisione della letteratura oggi presente (capitolo 1 e capitolo 2), la tesi sviluppa, partendo dalle equazioni fondamentali della fluidodinamica (Navier-Stokes), un set di equazioni semplificato ma adatto a descrivere fenomeni atmosferici intensi come i tornado e i mesocicloni (capitolo 3). Sucessivamente i parametri di previsione CAPE and SHEAR sono introdotti in tali equazioni tramite integrazione verticale (capitolo 4). Un evento tornadico è sempre caraterrizzato dalla formazione di uno spot di vorticità molto intenso e localizzato nello spazio: questo ha suggerito l'idea di associare la tornadogenesis ad un problema di stabilità non lineare nello spazio di Fourier (capitolo 5). La ``nonlinear resonant wave interaction theory'' ha fornito la matematica di base per lo studio di questo tipo di instabilità permettendo la costruzione di uno schema predittivo dei fenomeni tornadici in cui compaiono CAPE e SHEAR (capitolo 6). Il modello teorico proposto ci permette di affermare che 1) La tornadogenesis è associata solo a certi valori (bande) del diagramma CAPE-SHEAR. 2) I schemi usuali CAPE e SHEAR devono essere corretti tenendo conto delle caratteristiche del mesociclone in cui il tornado si forma: questo punto spiegherebbe la debolezza dei comuni schemi di previsione SHEAR-CAPE. 3) Il modello teorico propone un vincolo ai valori di ``Bulk Richardson number (BRN)'' adatti per la tornadogenesis; questo si ricollegherebbe prepotentemente a lavori numerici precedenti in cui si \`e visto come il BRN regoli l'evoluzione di una supercella a singola cella temporalesca od ad eventi di tipo multicellula. Quindi, questo lavoro propone un ruolo del BRN anche nella formazione di eventi tornadici associati a mesocicloni. I risultati sopra proposti sono confermati da una indagine statistica eseguita sul database meteorologico degli eventi tornadici in Italia e negli USA. La tesi presenta altre due parti a corollario e sviluppo della precedente parte principale. Uno studio numerico sulla efficacia delle moderne simulazioni di mesocicloni è proposta nel capitolo 7; risulta chiara dal lavoro proposto come una delle maggiori difficoltà sia una efficace descrizione della dissipazione e della evoluzione di campi di velocità molto variabili nello spazio e nel tempo. Questo problema è fondamentale nelle moderne simulazione atmosferiche a mesoscala nel momento in cui si voglia raggiungere una risoluzione orizzontale inferiore ai 200m. Nella ultima parte un approccio alla formazione di vortici intensi in atmosfera in termini di massimizzazione del campo di helicità è proposta. Questo tipo di approccio permette di vedere come la formazione di vortici verticali sia dovuta ad un meccanismo di prevenzione della dissipazione turbolenta di energia associata a moti a grande scala in energia associata a moti a piccola scala caotici e turbolenti. Questo spiegherebbe la presenza cos\`i frequente di vortici verticali in atmosfera. Il principio di massimizzazione della helicità risulta essere generale e applicabile anche alla studio della formazione di anti-mesocicloni e di eventi tornadici (capitolo 8) e, in linea di principio, ad in qualsiasi sistema fluido.

2007/2008
At the interannual timescale Sea Surface Temperature (SST) associated with El Niño Southern Oscillation (ENSO) have been identified as modulators of rainfall over South America. The proposed mechanism responsible for anomalies over northern South America involves the modification of the Walker circulation, while the generation (or excitement) of the Pacific-South American (PSA) modes would represent the teleconnection to the subtropics. However, the latter is present even in seasons in which ENSO is not at its peak. In this study our aim is to investigate the interannual variability of seasonal precipitation over South Eastern South America (SESA), which comprises southern Brazil, Uruguay, Paraguay and northeastern Argentina, and its dynamical dependence from ENSO and the PSA modes. We have shown the existence of a pervasive mode of upper level atmospheric variability which dominates the circulation over South America in all seasons. The mode consists of a continental scale vortex and resembles the eastern end of the leading Pacific-South American mode (PSA1). Differences in the structure and intensity of the vortex and the effects of orography affect the transport and convergence of moisture into SESA thus creating rainfall anomalies there. Motivated by and to test further the reported relationship between the upper level wind and precipitation anomalies, we developed a method to predict precipitation over SESA in which the upper level wind is the predictor. The method has a high potential in all seasons, but limited skill in forecast mode due to limitations of Coupled General Circulation Model performances. In exploring the predictability of the vortex, we assessed to what extent each connection of the schematic chain ENSO->PSA1->vortex->rainfall holds. The latter relationship between the vortex over SA and rainfall in SESA holds in spring, summer and fall. The vortex is, at least partially, an internal mode of variability in all seasons. In spring the whole chain of elements is observed: the vortex appears as a mode forced by ENSO via excitement of the leading PSA mode. In summer the vortex is uncoupled from the circulation over the Pacific Ocean, supporting the interpretation that regional effects dominate during the monsoon season. No connection with SSTs, and thus predictability, is found for this season. In fall the PSA1 pattern and the vortex are partially linked as for the spring season. However, the connection with SSTs is more puzzling and further analysis is required to clarify the nature of the leading PSA mode and its predictability. In view of our results, we underline that the leading Pacific-South American pattern properly comprehends centers of anomalies over the Southern Pacific Ocean only but not those over the South American sector.
XXI Ciclo
1979

2007/2008
The water transport and advected heat through the Strait of Otranto are computed applying a new methodology to the historical data set. According to the previous oceanographic studies, the Adriatic Sea annually loses heat through the air-sea interface. This heat loss should be balanced by the heat advected across the Strait of Otranto. Direct current measurements for almost one year (from December 94 through November 95), and five seasonal oceanographic campaigns are used in this study. The current data are measured at sixteen locations at different depths; near surface, intermediate depths and near bottom. The measured current data are detided and low pass filtered in order to remove tidal and inertial oscillations. A variational inverse method based on a variational principle and a finite element solver is used to reconstruct the current field across the Strait section from sparse measurements. The mean water flow across the strait consists of an inflow on the eastern side and an outflow on the western side, while there is a two layer structure in the central part. The latter has an inflow in the surface layer and an outflow in the bottom layer. The mean monthly, seasonally and yearly water transports and corresponding errors are calculated. The mean annual inflow and outflow water transport rates are estimated as 0.90±0.04 Sv and -0.94±0.31 (error) Sv and the net transport is equal to -0.04±0.32 (error) Sv. Thus, on a yearly time interval, the inflow and the outflow are practically compensated. These estimations of water transport are in agreement with previous studies. The seasonal heat flux is estimated by using the data collected during the hydrographic surveys conducted in December 1994, February, May, August and November 1995. The results show a net heat advection into the Adriatic Sea on a yearly basis. The estimated values of advected heat applying two different methods are 2.93±0.35 TW and 2.5±0.35 TW, which are equivalent to heat gain of 21.3±2.5 (error) Wm-2 and 17±2.5 Wm-2 for the whole basin which are compared to the calculated heat loss of -36±152 (std) Wm-2 over the Adriatic Sea. Salt transported salt is calculated by using salinity and current data. The average annual salt transport is estimated as an inflow of salt equal to 0.05106 Kgs-1. This is in agreement with the fact that the Adriatic Sea is a dilution basin. The average annual fresh water budget is estimated as -0.002 Sv which is equivalent to fresh water gain of 0.45 m/year for the entire Adriatic Sea.
XXI Ciclo
1972

2007/2008
Computational Fluid Dynamics (CFD) is an established tool for consulting and for basic research in fluid mechanics. CFD is required to provide information where analytical approaches or experiments would be impossible or too expensive. Most of the flows of engineering interest are turbulent. Turbulence is an unresolved problem of classical physics, because of the non linearity of the fluid motion equations. At the moment the only way to face them is numerically. Turbulence is composed of eddies in a broad range of size. To solve numerically the Navier-Stokes equations, the equations set that governs the fluid motion, a very fine grid is necessary in order to catch also the smallest eddies. The computational cost increases as Re3 (Re = ul/ is the Reynolds number with u and l an inertial velocity and length scales and the kinematic viscosity). Real life problems are characterized by very large Reynolds numbers and the consequent computational cost is enormous. So the direct solutions of Navier-Stokes equations (DNS) is not feasible. In many applications it is not necessary to solve all the eddies, it can be sufficient to supply the effects of unresolved scale to the flow. In Large Eddy Simulation (LES) most of the scales of motion are directly solved, in particular all the large energy carrying scales. These scales are influenced by the boundaries and they are strongly anisotropic. The smaller and dissipative scales must be modeled, but these scales loosing memory of the boundary conditions are more isotropic and hence formulating a general model that accounts for their effect is relatively easier. Large Eddy Simulation is a prospective tool for investigation in real life problems, in particular when high detailed analysis is required. This is the case for many industrial and environmental processes. For example, acoustic problems due to hydrodynamic noise are governed over a range of large scales which are easily reproduced by LES solution. However in these types of flows many difficulties arise also for LES. In general these flows are characterized by high Reynolds number. Wall-bounded flow at high Re requires high computational cost because LES is constrained to be DNS-like. Besides complex geometries are often involved. Structured or Unstructured body-fitted grid can be very hard to made, moreover unstructured grid can be expensive and not suited for LES. Scope of this thesis is to develop tools to apply LES to such configurations in order to make numerical simulation more adaptable to real life problems. In particular to deal with complex geometry an Immersed Boundary Methodology has been developed for curvilinear coordinates. The method has been applied to several test cases with good results. Then this methodology has been extended to high Reynolds number flows through the use of a wall model. In order to work on anisotropic grid, typical in sea coastal domain, a modified Smagorisky model has been proposed. Finally particle dispersion has been considered in stratified environmental flow. These tools has been applied to an industrial and to an environmental problem with good results.
La fluidodinamica computazionale (CFD) ´e uno strumento affermato per le consulenze e per la ricerca di base nella meccanica dei fluidi. Alla CFD ´e richiesto di fornire informazioni quando approcci analitici o sperimentali sarebbero impossibili o troppo costosi. La maggior parte dei flussi di interesse ingegneristico ´e di tipo turbolento. La turbolenza ´e uno dei problemi irrisolti della fisica classica, ci´o ´e dovuto alla non linearit´a delle equazioni che governano il moto dei fluidi. Al momento l’unico modo per affrontarle ´e numericamente. La turbolenza si compone di vortici di diverse dimensioni. Per risolvere numericamente le equazioni di Navier-Stokes, le equazioni che governano il moto dei fluidi, una griglia molto fine ´e necessaria al fine di simulare propriamente anche i vortici di scala pi´u piccola. Il costo computazionale cresce come Re3 (Re = ul/ ´e il numero di Reynolds, con u e l una velocit´a ed una lunghezza scala caratteristici e la viscosit´a cinematica). I problemi reali sono caratterizzati da numeri di Reynolds altissimi e conseguentemente il costo computazionale di queste simulazioni ´e enorme. Per questo motivo la soluzione diretta delle equazioni di Navier-Stokes (DNS) non ´e possibile. In molte applicazioni non ´e necessario risolvere tutte le scale dei vortici, pu´o essere sufficiente fornire l’effetto delle scale non risolte al flusso. Nella Large Eddy Simulation gran parte delle scale di vortici ´e direttamente risolta, in particolare le larghe scale energetiche. Queste scale sono influenzate dalle condizioni al contorno e sono fortemente anisotrope. Le scale piccole e dissipative devono essere modellate, ma queste scale perdendo memoria delle condizioni al contorno sono generalmente isotrope ed un modello per riprodurre il loro effetto risulta semplice. La LES ´e uno strumento d’avanguardia per lo studio di flussi realistici, in particolare risulta molto potente quando vengono richieste analisi dettagliate del moto. Questo ´e il caso di molti problemi in campo industriale ed ambientale. Per esempio problemi acustici dovuti a rumore idrodinamico sono governati dalle grandi scale che nella LES sono facilmente riprodotte. Comunque anche per la LES sorgono molte difficolt´a nel affrontare questi problemi. Generalmente questi flussi sono caratterizzati da alti numeri di Reynolds. Flussi di parete ad alti Re richiedono un costo computazionale elevatissimo e alla fine la LES deve soddisfare a requisiti tipici della DNS. Inoltre spesso questi flussi sono caratterizzati da geometrie complesse. Griglie strutturate o non strutturate che si adattano alle geometrie possono essere molto difficili da sviluppare, inoltre le griglie non strutturate possono essere molto costose e non particolarmente adatte alla LES. Lo scopo di questa tesi ´e di sviluppare degli strumenti atti a rendere efficiente l’applicazione della LES a flussi realistici. In particolare per affrontare le geometrie complesse ´e stata sviluppata una metodologia Immersed Boundary per coordinate curvilinee. Il metodo ´e stato provato su diversi casi con buoni risultati. La metodologia ´e stata quindi estesa al caso di flussi ad alto numero di Reynolds tramite lo sviluppo di un modello parete. ´E stato quindi sviluppato un modello modificato di Smagorinsky per lavorare con griglie fortemente anisotrope, tipiche per flussi in ambito marino costiero. Infine ´e stata studiata la dispersione di particelle in flussi ambientali stratificati. Gli strumenti sviluppati sono stati quindi applicati ad un problema industriale ed ad uno ambientale con ottimi risultati.
XXI Ciclo
1976

2008/2009
In this work the turbulent field developing in case of local erosion around a 45° wing-wall bridge abutment was investigated numerically. Three different scour conditions were considered: beginning of the process, logarithmic phase and equilibrium stage. The flow field was computed using a wall-resolving large eddy simulation (a simulation where the near-wall viscous sub-layer is directly resolved) and the bathymetric data were taken from physical experiments with an equivalent geometry. The dynamics of the coherent structures forming around the obstacle and inside the scour-hole was investigated and its influence on the modeling of the problem and on the erosion process was discussed. The analysis suggested that the full dynamics of the vortex system should be directly solved since simple eddy-viscosity models, as the k-ε model in RANS approach, were found to be not suited for this kind of problem and since high-order statistics were found to be important for the evolution of the local scour. The results of the present study may be helpful to formulate new physical-based local scour models to be used for practical evaluation of the scour depth around bridge abutments.
XXII Ciclo
1981

2008/2009
In this thesis, a new large-eddy simulation solver, LES-AIR, has been developed, tested and applied to a practical situation of flow and pollutant dispersion in urban environments. The novelty of the present research resides in the application of a high resolution, accurate, CFD technique to the simulation of real-life flows. The code uses a body fitted curvilinear grid to account for the macro geometry such as terrain slopes, and is thus able to reproduce in detail the complex conditions typical of urban areas; by utilizing the technique of immersed boundaries, the code is also able to mimic the presence the micro complexities such as anthropic structures (i.e. buildings). The first part of the thesis presents a detailed description of the mathematical and numerical model on which the code is based. An extensive set of validation tests was performed in flow configurations having an increasing degree of complexity in terms of forcing and geometry. The numerical model thus validated is applied for obtaining flow and pollutant dispersion in the Servola-Valmaura suburban area of the city of Trieste in Italy. The pollutant was introduced into the domain from a line source near the ground, mimicking the emission from vehicular traffic. In spite of the idealizations inherent to the model, LES-AIR is able to predict the flow and dispersion patterns well, and has proven to be a reliable tool for adaptation in urban pollution studies.
Nella presente tesi è stato sviluppato, testato ed applicato ad un caso studio applicativo un nuovo solutore numerico, chiamato codice LES-AIR, capace di predire i campi di vento e la dispersione di nquinanti in ambienti urbani. La maggiore novità di questo lavoro risiede nell’utilizzo di una tecnica fluidodinamica molto accurata e ad alta risoluzione per la simulazione di flussi reali. Il codice LES-AIR è capace di riprodurre con grande dettaglio le geometrie complesse tipiche delle aree urbane tramite l’utilizzo congiunto di una griglia curvilinea, che si adatta all’ orografia del terreno, e della tecnica dei corpi immersi, con la quale vengono riprodotti gli ostacoli antropici, quali gli edifici. Nella prima parte della tesi viene fornita una descrizione dettagliata del modello matematico e numerico su cui si basa il codice. Il modello è stato validato per mezzo di un esteso set di casi test, aventi un grado crescente di complessit à in termini di forzanti e di configurazione geometriche. Il modello così validato è stato applicato alla riproduzione di un caso applicativo nel quale i campi di vento e la dispersione di un inquinante nella zona di Servola-Valmaura, situata nella periferia di Trieste, sono stati simulati. L’ inquinante è stato introdotto da una sorgente lineare posta in prosimità del terreno e rappresentante l’emissione derivante dal traffico cittadino. Nonostante le condizioni idealizzate di vento considerate, il codice LES-AIR si è dimostrato molto efficace nella predizione del flusso e della dispersione dell’inquinante e quindi si è attestato essere un valido strumento negli studi d’ inquinamento urbani.
XXII Ciclo
1981

2007/2008
In this thesis we present the results of an extensive campaign of direct numerical simulations of Rayleigh-B\'enard convection at high Prandtl numbers ($10^{-1}\leq Pr \leq 10^4$) and moderate Rayleigh numbers ($10^{5}\leq Pr \leq 10^9$). The computational domain is a cylindrical cell of aspect-ratio (diameter over cell height) $\Gamma=1/2$, with the no-slip condition imposed to the boundaries. By scaling the results, we find a $1/\sqrt{Pr}$ correction to apply to the free-fall velocity, obtaining a more appropriate representation of the large scale velocity at high $Pr$. We investigate the Nusselt and the Reynolds number dependence on $Ra$ and $Pr$, comparing the results to previous numerical and experimental work. At high $Pr$ the scaling behavior of the Nusselt number with respect to $Ra$ is generally consistent with the power-law exponent $0.309$. The Nusselt number is independent of $Pr$, even at the highest $Ra$ simulated. The Reynolds number scales as $Re\sim \sqrt{Ra}/Pr$, neglecting logarithmic corrections. We analyze the global and local features of viscous and thermal boundary layers and their scaling behavior with respect to Rayleigh and Prandtl numbers, and with respect to Reynolds and Peclet numbers. We find that the flow approaches a saturation regime when Reynolds number decreases below the critical value $Re_s\simeq 40$. The thermal boundary layer thickness turns out to increase slightly even when the Peclet number increases. We explain this behavior as a combined effect of the Peclet number and the viscous boundary layer influences. The range of $Ra$ and $Pr$ simulated contains steady, periodic and turbulent solutions. A rough estimate of the transition from steady to unsteady flow is obtained by monitoring the time-evolution of the system until it reaches stationary solutions ($Ra_U\simeq 7.5 \times 10^6$ at $Pr=10^3$). We find multiple solutions as long-term phenomena at $Ra=10^8$ and $Pr=10^3$ which, however, do not result in significantly different Nusselt number. One of these multiple solutions, even if stable for a long time interval, shows a break in the mid-plane symmetry of the temperature profile. The result is similar to that of some non-Boussinesq effects. We analyze the flow structures through the transitional phases by direct visualizations of the temperature and velocity fields. We also describe how the behavior of the flow structures changes for increasing $Pr$. A wide variety of large-scale circulations and plumes structures are found. The single-roll circulation is characteristic only of the steady and periodic solutions. For other solutions, at lower $Pr$, the mean flow generally consists of two opposite toroidal structures; at higher $Pr$, the flow is organized in multi-cell structures extending mostly in the vertical direction. At high $Pr$, plumes detach from sheet-like structures. The different large-scale-structure signatures are generally reflected in the data trends with respect to $Ra$, but not in those with respect to $Pr$. In particular, the Nusselt number is independent of $Pr$, even when the flow structures appear strongly different varying $Pr$. In order to assess the reliability of the data-set we perform a systematic analysis of the error affecting the data. Refinement grid analysis is extensively applied.
---------------------------------------------------------------------------------------- In questa tesi presentiamo i risultati di un'estensiva campagna di simulazioni numeriche dirette della convezione di Rayleigh-B\'enard ad alti numeri di Prandtl ($10^{-1}\leq Pr \leq 10^4$) e moderati numeri di Rayleigh ($10^{5}\leq Pr \leq 10^9$). Il dominio computazionale \`e una cella cilindrica di allungamento (diametro su altezza cella) $\Gamma=1/2$, con condizioni di non-slittamento ai contorni. Scalando i risultati, troviamo una correzione di $1/\sqrt{Pr}$ da applicare alla velocit\`a di caduta libera, ottenendo una rappresentazione pi\`u appropriata della velocit\`a di larga scala ad elevati $Pr$. Investighiamo la dipendenza del numero di Nusselt e del numero di Reynolds da $Ra$ e $Pr$, comparando i risultati con precedenti lavori numerici e sperimentali. Ad elevati $Pr$ il comportamento di scala del numero di Nusselt rispetto a $Ra$ \`e generalmente compatibile con l'esponente di legge di potenza $0.309$. Il numero di Nusselt \`e indipendente da $Pr$, anche per il pi\`u alto $Ra$ simulato. Il numero di Reynolds scala come $Re\sim \sqrt{Ra}/Pr$, a meno di correzioni logaritmiche. Analizziamo le caratteristiche locali e globali degli strati limite viscosi e termici, ed il loro comportamento di scala rispetto ai numeri Rayleigh e Prandtl, e rispetto ai numeri Reynolds e Peclet. Troviamo che il flusso approccia un regime di saturazione quando il numero di Reynolds scende sotto il valore critico $Re_s\simeq 40$. Lo spessore dello strato limite termico comincia a crescere leggermente anche quando in numero di Peclet aumenta. Spieghiamo questo comportamento come un effetto combinato delle influenze del numero di Peclet e dello strato limite viscoso. L'intervallo di $Ra$ e $Pr$ simulato contiene soluzioni stazionarie, periodiche e turbolente. Una stima approssimata della transizione da flusso stazionario a non stazionario \`e ottenuta monitorando l'evoluzione temporale del sistema fino al raggiungimento di soluzioni stazionarie o statisticamente stazionarie ($Ra_U\simeq 7.5 \times 10^6$ a $Pr=10^3$). Troviamo soluzioni multiple come fenomeni di lungo termine a $Ra=10^8$ e $Pr=10^3$ che, comunque, non comportano differenze significative nel numero di Nusselt. Una di queste soluzioni multiple, anche se stabile per un lungo intervallo di tempo, mostra una rottura della simmetria del profilo di temperatura rispetto al piano mediano. Il risultato \`e simile a quello di alcuni effetti di non-Boussinesq. Analizziamo le strutture del flusso nelle fasi di transizione tramite visualizzazioni dirette dei campi di velocit\`a e temperatura. Descriviamo inoltre come il comportamento delle strutture del flusso cambia al crescere di $Pr$. Un'ampia variet\`a di circolazioni di larga scala e strutture a pennacchio vengono trovate. La circolazione a singolo anello \`e caratteristica solo delle soluzioni stazionarie e periodiche. Per le altre soluzioni, a $Pr$ pi\`u bassi, il flusso medio \`e generalmente composto da due strutture toroidali opposte; a $Pr$ pi\`u alti, il flusso \`e organizzato in strutture multi-cellulari che si estendono maggiormente in direzione verticale. Ad alti $Pr$, pennacchi si staccano da strutture simili a fogli. Le impronte delle differenti strutture di larga scala si riflettono generalmente nell'andamento dei dati rispetto a $Ra$, ma non rispetto a $Pr$. In particolare, il numero di Nusselt \`e indipendente da $Pr$, anche quando le strutture del flusso appaiono molto differenti al variare di $Pr$. Per stabilire l'affidabilit\`a dell'insieme dei dati, effettuiamo un'analisi sistematica degli errori a cui i dati sono soggetti. L'analisi di raffinamento della griglia \`e largamente applicata.
XXI Ciclo
1976