Descrizione della commessa "Studio, osservazione e monitoraggio dell’ambiente marino (TA.P07.019)"

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Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi

• Gli stessi strumenti consentono di studiare, monitorare e prevedere le caratteristiche degli stati di mare a breve e a lungo termine. Ciò è rilevante soprattutto in conseguenza dei cambiamenti climatici che sembrano essere responsabili di una maggiore probabilità di stati di mare estremo, eventi critici per la sicurezza alla navigazione e per la salvaguardia dell'ambiente marino. La corretta previsione degli stati di mare può tradursi in un sistema di supporto alle operazioni navali. La comprensione dei meccanismi di interazione aria-acqua e della dissipazione associata alla rottura di onde di superficie consente di migliorare i modelli di calcolo per l'interazione oceano atmosfera e per la modellazione della dinamica di sistemi ondosi. L'utilizzo di modelli sperimentali semplificati per lo studio delle dinamiche costiere in prossimità di foci fluviali e in presenza di opere costiere consente di analizzare aspetti legati al trasporto costiero di inquinanti e al loro deposito. (literal)

Strumentazione

• La maggior parte delle attività sperimentali verranno condotte nei bacini rettilinei. Per alcune attività relative all'interazione vorticità superficie libera si farà uso della canaletta idraulica e di una nuova facility di sperimentazione in fase di allestimento. Le attività di calcolo verranno condotte impiegando le Workstation in dotazione al personale oltre che i cluster di PC disponibili in istituto o presso CASPUR. (literal)

Tematiche di ricerca

• Metodi numerici basati su differenti modellazioni fisico-matematiche: High Order Spectral method, Boundary Elements, Boussinesq models, Non-linear shallow water models, Level Set, Volume of Fluid, Smoothed Particle Hydrodynamics, Lattice Boltzman. Aspetti teorici e sperimentali riguardanti la previsione dello stato di mare in tempo reale intorno ad uno scafo in navigazione. Studi connessi alla rottura di onde di superficie: analisi dei meccanismi di dissipazione e dell'intrappolamento d'aria generato durante la rottura, suo ruolo nella dissipazione ed effetti sulla interazione oceano atmosfera. Metodi sperimentali per la misura di flussi turbolenti in prossimità della superficie libera e per la misura della elevazione d'onda in presenza di breaking. Tecniche sperimentali non intrusive per la misura di flussi multifase. Studio sperimentale sui fenomeni del bubble-bursting e sui meccanismi secondari di intrappolamento di bolle. Fenomeni fisici associati alle dinamiche costiere, anche in prossimità di foci di fiumi e opere portuali e in condizioni barotropiche e barocline. Caratterizzazione multi-scala dello stato ondoso di superficie (literal)

Competenze

• Nei precedenti decenni sono stati sviluppati e largamente validati sia differenti codici numerici che varie tecniche di analisi sperimentale. I risultati ottenuti sul lato numerico e su quello sperimentale sono stati oggetto di pubblicazione su riviste scientifiche internazionali. Alcuni dei software sviluppati per le simulazioni numeriche e per l'indagine sperimentale sono entrati a far parte di procedure consolidate che vengono impiegate nel supporto alla cantieristica o all'interno di progetti di ricerca finanziati da organismi esterni. Le competenze acquisite dal gruppo di ricerca sono tali da fornire adeguate risposte sia in merito alle attività proposte che a possibili approcci alternativi. L'attività sperimentale inoltre, direttamente o indirettamente riportata tra le tematiche di interesse del modulo, si avvarrà delle competenze maturate all'interno o attraverso la definizione di setup rodati e calibrati o attraverso l'utilizzo di strumentazione di misura home made appositamente progettate. (literal)

Potenziale impiego per processi produttivi

• Lo studio dei flussi con superficie libera svolge un ruolo importante nel campo dell'ingegneria marittima e costiera. Le attività del modulo sono mirate allo sviluppo di strumenti di calcolo e di misura sperimentale che potranno essere impiegate nell'ambito della progettazione delle strutture costiere, di quelle off-shore e dei veicoli marini. Modelli di calcolo e tecniche di misura più accurati ed efficienti possono essere importanti strumenti per una progettazione che sia in grado di ridurre i costi associati all'esercizio dell'opera nonché di migliorare gli aspetti legati alla sicurezza dell'opera stessa. (literal)

Tecnologie

• Lo sviluppo di metodi numerici per la simulazione di flussi a superficie libera è basato sull'utilizzo di differenti modelli matematici dipendenti, per esempio, delle scale spaziali e temporali di interesse e della più o meno vicinanza alla coste. I principali modelli di interesse sono: metodi basati su flussi a potenziale (High Order Spectral method, Boundary Element Method, etc.), metodi Depth-Average (Boussinesq models, Non-linear shallow water models, etc.), metodi basati sulla discretizzazione delle equazioni di Navier-Stokes accopiati ad algoritmi per l'identificazione dell'interfaccia aria/acqua o acqua/inquinante (Level Set Method, Volume of Fluid Method), metodi Meshless Lagrangiani (Smoothed Particle Hydrodynamcs,etc.). Sviluppo di metodi sperimentali per la misura di flusso in prossimità della superficie libera e per la misura della elevazione d'onda in assenza e in presenza di breaking. Messa a punto di tecniche sperimentali non intrusive per la misura di flussi multifase ed integrazione di competenze avanzate sviluppate in altro modulo. Sviluppo di un sistema di \"home-made\" per l'acquisizione contemporanea del segnale di sensori per la misura dell'altezza d'onda. (literal)

Obiettivi

• Approfondimento della comprensione dell'interazione oceano-atmosfera, dei meccanismi di interazione vorticità - superficie libera e del loro contributo all'intrappolamento di bolle. Sviluppo e validazione dei nuovi modelli di calcolo per lo studio dei flussi a superficie libera e dei flussi multifase, miglioramento delle prestazioni dei modelli esistenti e loro implementazione ibrida OpenMP e MPI. Sviluppo di modelli SPH per flussi multi-fluido per poter trattare in maniera esplicita le discontinuità presenti all'interfaccia tra i diversi fluidi e di gestire la co-presenza di una superficie libera oltre a quella delle diverse fasi. Implementazione di algoritmi per la fase di post-processing dei dati numerici generati da solutori SPH 3D per l'analisi di campi fluidodinamici tridimensionali (in quanto tale analisi risulta molto complessa se si utilizzano direttamente i dati scatter legati alle sole particelle). Sviluppo di un dimostratore tecnologico per la previsione del mare vicino all'unità navale. Identificazione di modelli semplificati per la dinamica della turbolenza di superficie libera. (literal)

Stato dell'arte

• Lo studio di flussi a superficie libera nei casi in cui l'interfaccia è soggetta a grandi deformazioni o a fenomeni di frangimento presenta notevoli difficoltà di indagine, sia sperimentale che teorico-numerica. Il problema è ancora più complesso nei casi in cui, se la fase intrappolata è gassosa, diventano importanti dei fenomeni connessi alla compressibilità. Nel caso di propagazione in acque di profondità finita, le strutture vorticose generate dalle onde frangenti possono essere trasportate e diffuse all'interno del fluido fino ad arrivare ad interagire con il fondale stesso, inducendo così fenomeni di erosione. In questo ambito possono avere un ruolo rilevante la gravità, la tensione superficiale, la compressibilità dell'aria intrappolata e i fenomeni viscosi. Tutto ciò fa sì che non sempre sia possibile riportare in scala ridotta questo tipo di fenomeni. Per tale motivo l'utilizzo di modelli teorici e numerici da affiancare ad attività sperimentali può consentire una maggiore comprensione dei fenomeni fisici associati. L'utilizzo di solutori Euleriani e Lagrangiani, nonché di tecniche anemometriche ottiche non invasive (PIV) costituisce lo stato dell'arte in materia. (literal)

Tecniche di indagine

• Parametri importanti per uno strumento di previsione del mare in tempo reale sono la velocità di calcolo e l'accuratezza della stima: per valutare queste prestazioni come benchmark verranno usate soluzioni numeriche ottenute con altri modelli numerici e misure sperimentali al vero ottenute con i moderni sistemi radar oppure misure in scala eseguite presso le nostre vasche. I solutori numerici e i post-processor necessari per l'analisi dei dati sperimentali verranno sviluppati utilizzando codici di calcolo scritti in linguaggio Fortran, C o C++. Al fine di assicurare la massima affidabilità tali codici, quando possibile, verranno validati attraverso altri dati di riferimento disponibili in letteratura e/o ottenuti con altri metodi e tecniche differenti. Accoppiamento di modelli semplificati di chiusura per la dinamica della turbolenza di superficie libera con metodi Navier-Stokes monofase. Per lo studio di breaking e post-breaking verranno effettuate visualizzazioni di flusso e misure di campi di velocità mediante tecniche PIV o LDV. (literal)

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• Studio, osservazione e monitoraggio dell’ambiente marino (TA.P07.019) (Commessa)

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