99076 - STRATO LIMITE PLANETARIO E DISPERSIONE TURBOLENTA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce i fondamenti della teoria dei flussi turbolenti in atmosfera e della teoria della dispersione turbolenta. In particolare, lo studente: - è in grado di analizzare ed interpretare osservazioni qualitative e quantitative relative alla struttura dello strato limite ed alla dispersione; - conosce i modelli di chiusura della turbolenza, incluso large eddy-simulations e le sue applicazioni; - è in grado di produrre relazioni e documenti ad un livello di base su problematiche relative a problemi di strato limite, qualità dell'aria; - è capace di utilizzare semplici modelli relativi alla dinamica ed alla dispersione nello strato limite atmosferico; - è capace di valutare criticamente gli aspetti caratterizzanti di modelli complessi.

Contenuti

Modulo 1 - IL modulo 1 si focalizza su aspetti teorici mentre il modulo 2 mette in pratica le nozioni acquisite tramite l'utilizzo di metodi di computational fluid dynamics usati per risolvere le equazioni.

Modulo 1 contenuti:

1. Introduzione: Definizione di strato limite atmosferico (ABL) - il ciclo diurno di ABL sulla terra - ABL sul mare - misurare ABL
2. Variabili che definiscono ABL:variabili stocastiche - funzione di densita' di probabilita' (pdf) - momenti, valore medio, fluttuazioni; funzioni di correlazione e spettri; da numeri d'onda a frequenza (ipotesi di turbolenza congelata)
3. Equazioni (1): le equazioni per le componenti della velocita' e per lo scalare passivo; analisi di scala; pressione idrostatica; temperatura potenziale; vento geostrofico
4. Equazioni (2): le equazioni per i momenti primi; le equazioni per le fluttuazioni; le equazioni per i momenti secondi; l'equazione per l'energia cinetica turbolenta (TKE); l'equazione per la varianza di uno scalare; flussi turbolenti e il modello della lunghezza di mescolamento; flussi di calore orizzontali e verticali
5. Introduzione alla turbolenza: descrizione Euleriana e Lagrangiana; caratteristiche universali dei flussi turbolenti; un paradigma fondamentale: Kolmogorov (1941); spettri e funzioni di struttura; la pdf della velocita'
6. ABL orizzontalmente omogeneo su terreno piatto: osservazioni; equazioni per la velocita' media e per la temperatura media; 'scaling' interno ed esterno; definizione di strato superficiale (SL)
7. ABL quasi neutrale (QNBL): numero di Richardson di flusso e lunghezza di Obukhov; condizioni neutrali in SL; profilo di velocita' media varianze e tasso di dissipazione di TKE; scale integrali; lo strato di Ekman neutrale; condizioni debolmente stratificate; profili di velocita' media e di temperatura media; varianze; coefficienti di diffusione turbolenta per quantita' di moto e calore;
8. Lo strato limite convettivo (CBL): osservazioni; la pdf della velocita'; scale per velocita' e temperatura; profili di velocita' media e temperatura media; momenti del secondo e terzo ordine;tasso di dissipazione di TKE; un modello per i flussi di calore orizzontali; bilancio di temperatura potenziale e altezza del CBL; il modello di 'encroachment; modelli piu' complessi
9. Lo strato residuale (RL): osservazioni; simulazioni numeriche; un modello semplificato
10. Lo strato limite stabile (SBL): osservazioni; estensione della definizione di ABL in condizioni stabili; SBL di lunga durata; altri tipi di SBL; trasferimento di TKE dall'alto verso il basso; teoria della similarita' locale: il modello di Nieuwstadt (1984); profili di quantita' medie in SL; numero di Richardson critico
11. Funzioni di similarita' in SL: gradienti nondimensionali di quantita' medie; profili nondimensionali; numeri di Richardson di gradiente e di 'bulk'
12. Il flusso in una 'canopy' vegetale e in una 'canopy' urbana
    osservazioni di velocita' media e di momenti secondi
    flusso al di sopra della 'canopy'
    flusso entro il 'canopy layer' attrito dovuto agli ostacoli
    canyon stradali
13. Introduzione alla dispersione turbolenta
    Equazioni fondamentali e analisi di soluzioni per diverse tipologie di sorgente
14. Dispersione atmosferica a grande scala
    dispersione in uno strato limite neutrale di laboratorio
    dispersione nel CBL
    Mikkelsen et al. (1987): 'meandering' orizzontale in SL
    dispersione nel flusso su topografia
15. Modelli fluidodinamici semplici per pennacchi:

    caso di sorgente puntuale senza galleggiamento

    caso di sorgente puntuale con galleggiamento

16. Dispersione in ambiente urbano

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Modulo 2, contenuti:

1. Introduzione: discussione dei principali metodi numerici per la fluidodinamica computazionale, approcci Raynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Large-Eddy Simulation (LES), Direct-Numerical Simulation (DNS).

2. Modelli di turbolenza: presentazione e derivazione di alcuni tra i più usati modelli di turbolenza.

3. Metodi numerici: breve panoramica sulle tecniche numeriche di risoluzione delle equazioni fluidodinamiche. Algoritmi, schemi risolutivi, griglia computazionale.

4. Casi di studio: presentazione casi studio per la riproduzione di uno strato limite planetario, dispersione di inquinanti in ambiente urbano, ventilazione di aree urbane. Tecniche di analisi dati e postprocessing.

5. Simulatore OpenFOAM: strumenti informatici per le simulazioni numeriche, linguaggi di programmazione C++, software open-souce OpenFOAM, script personalizzati.

6. Simulazione e analisi: impostazione caso di simulazione, raccolta dati e statistiche, analisi e interpretazione.

 

 

Testi/Bibliografia

Modulo 1

Appunti di lezione; Dispense Tampieri; Materiale aggiuntivo.

Books:

• Stull: Introduction to Boundary-Layer Meteorology, 1988;
• Wyngaard, J. C., 2010. Turbulence in the atmosphere, Cambridge University Press;
• Csanady, G. T., 1973. Turbulent diffusion in the environment, Reidel Pu. Co., Dordrecht;
• Seinfeld, J. H. and Pandis, Spyros N., 1998. Atmospheric chemistry and physics, John Wiley and Sons.
• Kaimal and Finnigan, 1994: “Atmospheric Boundary-Layer Flows”

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Modulo 2

Appunti di lezione.

S.B. Pope. Turbulent Flows. Cambridge University Press (2000).

Metodi didattici

Modulo 1: Lezioni frontali

Modulo 2: Lezioni in aula ed esercitazioni guidate in laboratorio informatico

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale unico per i due moduli. L'esame prevede 3 domande di cui la prima a scelta dello studente e la discussione della relazione finale del laboratorio (modulo 2)

Strumenti a supporto della didattica

PC, lavagna

Laboratorio di informatica con sistema operativo UNIX/LINUX

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Silvana Di Sabatino

Consulta il sito web di Carlo Cintolesi