- Docente: Silvana Di Sabatino
- Crediti formativi: 6
- SSD: FIS/06
- Lingua di insegnamento: Italiano
- Moduli: Silvana Di Sabatino (Modulo 1) Carlo Cintolesi (Modulo 2)
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1) Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2)
- Campus: Bologna
- Corso: Laurea Magistrale in Fisica del sistema Terra (cod. 8626)
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Orario delle lezioni (Modulo 1)
dal 20/09/2022 al 07/11/2022
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Orario delle lezioni (Modulo 2)
dal 08/11/2022 al 02/12/2022
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:
- Introduzione: Definizione di strato limite atmosferico (ABL) - il ciclo diurno di ABL sulla terra - ABL sul mare - misurare ABL
- 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)
- Equazioni (1): le equazioni per le componenti della velocita' e per lo scalare passivo; analisi di scala; pressione idrostatica; temperatura potenziale; vento geostrofico
- 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
- 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'
- 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)
- 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;
- 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
- Lo strato residuale (RL): osservazioni; simulazioni numeriche; un modello semplificato
- 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
- Funzioni di similarita' in SL: gradienti nondimensionali di quantita' medie; profili nondimensionali; numeri di Richardson di gradiente e di 'bulk'
- 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 - Introduzione alla dispersione turbolenta
Equazioni fondamentali e analisi di soluzioni per diverse tipologie di sorgente - 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 - Modelli fluidodinamici semplici per pennacchi:
caso di sorgente puntuale senza galleggiamento
caso di sorgente puntuale con galleggiamento
- 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