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2002/2003 La tesi è parte integrante di un progetto di ricerca indirizzato allo studio delle caratteristiche del mescolamento turbolento nel Golfo di Trieste in condizioni critiche, ovvero quando le forzanti agenti sulla colonna d'acqua sono costituite da: corrente di marea, effetto della rotazione terrestre e presenza di una stratificazione stabile verticale dovuta a flussi di calore forniti alla superficie libera. Tali condizioni critiche si possono verificare sia in inverno, quando il flusso è forzato solamente dalla corrente di marea e dalla rotazione, sia durante l'estate, quando il contributo della stratificazione risulta essere determinante. Il caso invernale rappresenta l'oggetto della tesi. Poiché il numero di Reynolds oceanografico associato al problema è troppo elevato per poter essere affrontato dalle tecniche numeriche oggi disponibili, l'esperimento viene scalato ad un valore Re = 1.6 x 106 , un ordine di grandezza inferiore rispetto a quello reale. Il sistema viene tuttavia mantenuto in regime turbolento e vengono preservati i parametri fisici caratterizzanti il caso reale (il numero di Keulegan-Carpenter ed il numero di Rossby). Le equazioni filtrate che descrivono il flusso turbolento oscillante-rotante sono risolte mediante resolved large-eddy simulation (LES), parametrizzando le scale di sottogriglia con un modello di tipo dinamico misto. A causa degli elevati sforzi computazionali richiesti per tale studio, il codice adottato è stato totalmente riscritto mediante un paradigma di programmazione parallela. Il primo capitolo della tesi presenta un'introduzione generale che descrive il Golfo di Trieste e le forzanti agenti, il secondo capitolo è dedicato all'inquadramento del problema ed al modello matematico adottato, il terzo capitolo descrive l'implementazione in ambiente parallelo ed i test di validazione. Di seguito vengono discussi i risultati: nel quarto capitolo viene analizzato il flusso puramente oscillante, mentre nel quinto sono descritti gli effetti dovuti alla rotazione del sistema di riferimento. Il sesto capitolo presenta le conclusioni principali. Occorre sottolineare che la simulazione dello strato limite turbolento di Stokes qui descritta rappresenta il primo studio numerico che analizza in dettaglio il campo turbolento di un flusso puramente oscillante ad un numero di Reynolds per il quale la maggiorparte del ciclo di oscillazione è caratterizzata dalla presenza di turbolenza pienamente sviluppata. I risultati sono in buon accordo con le misure sperimentali ed ampliano quanto trovato a tal proposito negli studi presenti in letteratura. Il flusso oscillante-rotante turbolento, secondo caso studiato, per quanto ne sappiamo non è stato finora affrontato da un punto di vista numerico. La rotazione del sistema di riferimento induce un duplice effetto destabilizzante/stabilizzante sul flusso, dipendente dalla direzione della corrente forzante. Tale effetto è stato descritto sia da studi teorici che da lavori precedenti riguardanti lo strato di Ekman stazionario non stratificato. Inoltre, dall'analisi dei nostri risultati si evince come la turbolenza si sviluppi con un carattere fortemente anisotropico. I risultati della presente dissertazione mostrano che: i processi di mescolamento nel Golfo di Trieste in condizioni critiche durante la stagione invernale appaiono caratterizzati da un'intensa attività turbolenta durante le fasi centrali di entrambi i semiperiodi di oscillazione della componente di marea M2, ed interessano più della metà della colonna d'acqua. I livelli di turbolenza tipici del secondo semiperiodo (corrente mareale che fluisce da NE a SW) risultano essere considerevolmente più marcati rispetto al primo, e si osserva attività turbolenta fin quasi alla superficie libera. Il ruolo giocato dalla rotazione risulta essere di fondamentale importanza nell'incremento del mescolamento orizzontale e verticale lungo l'intero ciclo di oscillazione. A differenza del caso puramente oscillante, le tre componenti fluttuanti sono mutualmente correlate fra di loro, e le intensità turbolente contribuiscono ad intensificare il mescolamento anche vicino alla superficie libera. Dal punto di vista metodologico, il presente lavoro ha dimostrato come una resolved LES può fornire risultati accurati anche nello studio di strati limite non stazionari. Inoltre, grazie alla capacità del modello dinamico-misto scelto di adeguarsi alle caratteristiche locali ed istantanee del campo di flusso, esso si è dimostrato essere uno strumento adatto alla simulazione di strati limite di Stokes sia in sistemi di riferimento fissi che rotanti. The present dissertation is part of a research project aimed at investigate the characteristics of the turbulent mixing in the Gulf of Trieste under critical conditions, namely when the forcings acting on the water column are: the tidal current, the effect of the Earth rotation and the presence of a vertical stable stratification due to heat fluxes supplied at the free surface. Critical conditions can occur both in winter, when only tidal current and rotation influence the flow, and in summer, when also the effect of stratification plays a very important role. The former case is the object of the thesis. Since the Reynolds number of the oceanographic system is too high to be studied by means of the present numerical techniques, the numerical experiment is carried aut at Re = 1.6 x 106 , one arder of magnitude smaller than the effective one, still considering the flow in a turbulent regime and keeping constant the physical parameters characterizing the actual flow, i.e. the Keulegan-Carpenter and the Rossby numbers. The filtered governing equations describing the oscillating, rotating turbulent flow are solved by means of resolved large-eddy simulation (LES), modeling the subgrid-scale stresses through a dynamic-mixed model. Due to the burdensome computational efforts required far such study, the code adopted is implemented in a parallel framework. The work is organized as follows: the first chapter presents a general introduction describing the Gulf of Trieste and the forcings, chapter 2 is devoted to the formulation of the problem and the mathematical model adopted, chapter 3 describes the parallel implementation together with validation tests. The results are presented in two different chapters: the purely oscillating flow is given in chapter 4, whereas the rotating-oscillating one is discussed in chapter 5. Finally, conclusions are given in chapter 6. It has to be remarked that the present simulation of the Stokes boundary layer represents the first numerical study that investigates the details of the turbulent field in a purely oscillating flow at a Reynolds number such that most of the cycle of oscillation is characterized by the presence of fully developed turbulence. Our results are in good agreement with the experimental observations and corroborate the findings of the relevant experimental studies. Moreover, to the best of our knowledge, the turbulent rotating-oscillating flow has been never investigated. The rotation of the reference frame induces a destabilizing effect on the flow, depending on the forcing current direction, which agrees with theory an d precedent studi es regarding the turbulent neutral steady Ekman layer. Furthermore, a highly anisotropie character of turbulence can be drawn from our simulations. The results of the present dissertation show that: mixing processes in the Gulf of Trieste under critical conditions during the winter season are characterized by an intense turbulent activity during the central phases of both the half-periods of oscillation of the M2 tide, along more than half the water column. Levels of turbulence peculiar of the second half-period (tidal current flowing from NEto SW) appear remarkably stronger than those of the first, and the vertical extension where turbulent activity can be observed results increased. The role played by rotation is of fundamental importance in the enhancement of horizontal and vertical mixing throughout the whole tidal cycle of oscillation. Unlike the purely oscillating case, the three fluctuating components are mutually correlated, and turbulent intensities contribute to intensify mixing also near the surface. From the numerical point of view, the present dissertation has also shown t ha t a resolved LES gives accurate results in the case of unsteady boundary layers. Moreover, the dynamic-mixed model adopted appears to be a robust tool for simulating both the Stokes boundary layer, since it is able to adjust to the local and instantaneous characteristics of the flow field, and its rotating counterpart. XVI Ciclo 1972 Versione digitalizzata della tesi di dottorato cartacea. |
