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Relatori: Prof. Cristiana Di Cristo Prof. Rui Ferreira (IST, Lisbona) Candidato: Simona Di Carlo Matr. 0033453 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL.

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1 Relatori: Prof. Cristiana Di Cristo Prof. Rui Ferreira (IST, Lisbona) Candidato: Simona Di Carlo Matr UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile Dipartimento Di Ingegneria Civile e Meccanica

2 La vegetazione acquatica in generale riveste un ruolo di primaria importanza negli ambienti costieri e fluviali. In particolare, la vegetazione a fusto emergente rappresenta uno dei principali costituenti delle zone umide (wetlands).

3 Le wetland sono ecosistemi di transizione e di collegamento tra terra ed acqua. Idrogeologico Chimico e fisico Biologico Tali ecosistemi rivestono notevole importanza sotto diversi punti di vista:

4 Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di fornire un contributo allo studio sulla gestione e ripristino delle wetland, accrescendo la conoscenza dei processi fisici inerenti ad esse. E’ stata condotta una campagna sperimentale per investigare gli aspetti cinematici relativi al fenomeno di distacco dei vortici da cilindri rigidi e circolari che simulano la vegetazione emergente. La presenza dei vortici all’interno dei corpi idrici influenza i processi di sedimentazione e dispersione.

5 PIV System (Particle Image Velocimetry) Fonte di luce laser pulsato Generatore Telecamera Unità di sincronizzazione Software di controllo ed acquisizione

6 Test A e A* Test C. Test B Test D.

7 Caratteristiche idrauliche dei test effettuati

8 Test A Test A* Velocità medie temporali Test B Test C Test D

9 Il presente lavoro di tesi introduce un originale metodo, implementato in linguaggio Matlab, per la rilevazione di vortici in campi di moto bidimensionali. 1) Identificazione dei vortici 2) Monitoraggio dei vortici 4d 3d d

10 1) Identificazione dei vortici Criterio delle linee isovelocità

11 1) Identificazione dei vortici Criterio delle linee isovelocità Criterio delle linee di flusso chiuse

12 1) Identificazione dei vortici Criterio delle linee isovelocità Criterio delle linee di flusso chiuse Vortici positivi Vortici negativi

13 2) Monitoraggio dei vortici La traiettoria dei vortici è definita da almeno due vortici correlati tra loro. Le traiettorie positive sono formate da vortici positivi e le traiettorie negative sono formate da vortici negativi. Vortici positivi Vortici negativi

14 Numero di Strouhal Frequenza media di distacco dei vortici L’analisi dei dati effettuata è stata di tipo statistico. Numero normalizzato di vortici Distribuzione longitudinale Survival rate Distribuzione laterale Traiettorie medie e relativa deviazione standard

15 Numero di Strouhal Frequenza media di distacco dei vortici f s : frequenza di distacco dei vortici L : lunghezza caratteristica V : velocità media di portata Il meccanismo di distacco dei vortici è molto simile in tutti i test indagati.

16 Numero normalizzato di vortici Il massimo numero normalizzato di vortici è stato riscontrato nel test D. ND : numero di vortici identificati NS : numero di vortici che si formano nell’intervallo temporale di acquisizione NV : numero ideale di visualizzazioni del singolo vortice

17 Distribuzione longitudinale dei vortici La distribuzione mostra un andamento approsimativamente lineare Un’ ulteriore analisi è stata effettuata al fine di individuare la durata e la collocazione spaziale dei vortici lungo la direzione del moto. Test C Vortici positiviVortici negativi

18 La distribuzione longitudinale dei vortici ben si adatta alla distribuzione teorica di probabilità di Burr. Test A Vortici positiviVortici negativi Test statistico di ‘bontà di adattamento’ di Kolmogorov – Smirnov Distribuzione longitudinale dei vortici Un’ ulteriore analisi è stata effettuata al fine di individuare la durata e la collocazione spaziale dei vortici lungo la direzione del moto.

19 Survival rate I risultati di tale analisi trovano spiegazione nell’interazione con la turbolenza di fondo. Il survival rate indica il tasso di sopravvivenza dei vortici lungo la direzione del moto. Vortici positiviVortici negativi

20 La distribuzione dei vortici lungo la direzione trasversale al moto è stata indagata per comprendere meglio la collocazione spaziale dei vortici. Distribuzione laterale dei vortici Area A1Area A2 Vortici positivi Vortici negativi Test B Le distribuzioni laterali seguono la distribuzione di probabilità di Burr.

21 Traiettorie medie dei vortici e deviazione standard

22 Test A Test A* Vortici positivi Vortici negativi Test B Test C Test D Vortici positivi Vortici negativi

23 Traiettorie medie dei vortici e deviazione standard La maggiore lunghezza media delle traiettorie è stata individuata nel test D.

24 Il meccanismo di distacco dei vortici non è influenzato dalla particolare configurazione geometrica dei test oggetti di studio: ciò è evidenziato dai valori del Numero di Strouhal, che risultano essere mediamente uguali per tutti i test effettuati; Il valore medio del numero di Strouhal è di St ≈ 0.26, poco più alto del valore St=0.21 noto in letteratura per il caso del cilindro isolato (numero di Reynolds Re p =1000). Questa differenza potrebbe essere dovuta a macroscabrezze presenti sui cilindri; Il numero di vortici rilevati positivi e negativi è mediamente lo stesso; L’analisi relativa al survival rate ha dimostrato che nei test con distribuzione densa di cilindri i vortici perdono la loro forma molto più rapidamente rispetto ai test caratterizzati da densità minori. Il test D, ovvero il caso del cilindro isolato situato in prossimità di un gruppo di cilindri, mostra il maggiore valore del survival rate;

25 Il test D presenta la maggiore lunghezza media delle traiettorie; I test A ed A* presentano delle distribuzioni longitudinali e trasversali entrambe pienamente adattabili alla distribuzione di probabilità teorica di Burr; In definitiva è quindi possibile affermare che tutti i risultati ottenuti sono perfettamente in accordo tra di essi. L’ assenza di cilindri a monte del singolo cilindro indagato determina un maggiore numero di vortici e una maggiore durata spaziale e temporale di essi. Questo comportamento è stato interpretato con una ulteriore indagine sull’interazione tra i vortici e la turbolenza di fondo mediante l’analisi delle mappe relative all’ intensità di turbolenza.

26

27 Una possibile spiegazione relativa all’analisi condotta sul survival rate può essere trovata in termini di produzione di energia cinetica turbolenta. Una successiva analisi ha infatti mostrato che il termine P TKE risulta essere maggiore di zero nei test A ed A* ed invece risulta essere praticamente nullo nei test B, C e D. Si può quindi assumere che è un problema di turbolenza di fondo. Questo si vede in maniera molto chiara nei grafici mostrati: Kinetic turbulent energy production

28 Test C Test B Test A Kinetic turbulent energy production


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