Sub-wavelength resonators as seismic Rayleigh waves shield

We explore the thesis that tall structures can be protected by means of seismic metamaterials. Seismic metamaterials can be built as some elements are created over soil layer with different shapes, dimensions, patterns and from different materials. Resonances in these elements are acting as locally resonant metamaterials for Rayleigh surface waves in the geophysics context. Analytically we proved that if we put infinite chain of SDOF resonator over the soil layer as an elastic, homogeneous and isotropic material, vertical component of Rayleigh wave, longitudinal resonance of oscillators will couple with each other, they would create a Rayleigh bandgap frequency, and wave will experience attenuation before it reaches the structure. As it is impossible to use infinite chain of resonators over soil layer, we considered finite number of resonators throughout our simulations. Analytical work is interpreted using finite element simulations that demonstrates the observed attenuation is due to bandgaps when oscillators are arranged at sub-wavelength scale with respect to the incident Rayleigh wave. For wavelength less than 5 meters, the resulting bandgaps are remarkably large and strongly attenuating when impedance of oscillators matches impedance of soil. Since longitudinal resonance of SDOF resonator are proportional to its length inversely, a formed array of resonators that attenuates Rayleigh waves at frequency ≤10 Hz could be designed starting from vertical pillars coupled to the ground. Optimum number of vertical pillars and their interval spacing called effective area of resonators are investigated. For 10 pillars with effective area of 1 meter and resonance frequency of 4.9 Hz, bandgap frequency causes attenuation and a sinusoidal impulsive force illustrate wave steering down phenomena. Simulation results proved analytical findings of this work.

A numerical study of turbulent Rayleigh-Bénard convection

Il flusso di Rayleigh-Bénard, costituito da un fluido racchiuso fra due pareti a diversa temperatura, rappresenta il paradigma della convezione termica. In natura e nelle applicazioni industriali, il moto convettivo avviene principalmente in regime turbolento, rivelando un fenomeno estremamente complesso. L'obiettivo principale di questo elaborato di tesi consiste nell'isolare e descrivere gli aspetti salienti di un flusso turbolento di Rayleigh-Bénard. L'analisi è applicata a dati ottenuti da tre simulazioni numeriche dirette effettuate allo stesso numero di Rayleigh (Ra=10^5) e a numeri di Prandtl differenti (Pr=0.7,2,7). Sulla base di alcune statistiche a singolo punto, vengono definite nel flusso tre regioni caratteritiche: il bulk al centro della cella, lo strato limite termico e quello viscoso in prossimità delle pareti. Grazie all'analisi dei campi istantanei e delle correlazioni spaziali a due punti, sono state poi individuate due strutture fondamentali della convezione turbolenta: le piume termiche e la circolazione a grande scala. L'equazione generalizzata di Kolmogorov, introdotta nell'ultima parte della trattazione, permette di approcciare il problema nella sua complessità, visualizzando come l'energia cinetica viene immessa, si distribuisce e viene dissipata sia nello spazio fisico, sia in quello delle scale turbolente. L'immagine che emerge dall'analisi complessiva è quella di un flusso del tutto simile a una macchina termica. L'energia cinetica viene prodotta nel bulk, considerato il motore del flusso, e da qui fluisce verso le pareti, dove viene infine dissipata.