Study of a wind-wave numerical model and its integration with ocean and oil-spill numerical models

The ability to represent the transport and fate of an oil slick at the sea surface is a formidable task. By using an accurate numerical representation of oil evolution and movement in seawater, the possibility to asses and reduce the oil-spill pollution risk can be greatly improved. The blowing of the wind on the sea surface generates ocean waves, which give rise to transport of pollutants by wave-induced velocities that are known as Stokes’ Drift velocities. The Stokes’ Drift transport associated to a random gravity wave field is a function of the wave Energy Spectra that statistically fully describe it and that can be provided by a wave numerical model. Therefore, in order to perform an accurate numerical simulation of the oil motion in seawater, a coupling of the oil-spill model with a wave forecasting model is needed. In this Thesis work, the coupling of the MEDSLIK-II oil-spill numerical model with the SWAN wind-wave numerical model has been performed and tested. In order to improve the knowledge of the wind-wave model and its numerical performances, a preliminary sensitivity study to different SWAN model configuration has been carried out. The SWAN model results have been compared with the ISPRA directional buoys located at Venezia, Ancona and Monopoli and the best model settings have been detected. Then, high resolution currents provided by a relocatable model (SURF) have been used to force both the wave and the oil-spill models and its coupling with the SWAN model has been tested. The trajectories of four drifters have been simulated by using JONSWAP parametric spectra or SWAN directional-frequency energy output spectra and results have been compared with the real paths traveled by the drifters.

Efficiency limits for silicon/perovskite tandem solar cells: a theoretical model

The primary goal of this work is related to the extension of an analytic electro-optical model. It will be used to describe single-junction crystalline silicon solar cells and a silicon/perovskite tandem solar cell in the presence of light-trapping in order to calculate efficiency limits for such a device. In particular, our tandem system is composed by crystalline silicon and a perovskite structure material: metilammoniumleadtriiodide (MALI). Perovskite are among the most convenient materials for photovoltaics thanks to their reduced cost and increasing efficiencies. Solar cell efficiencies of devices using these materials increased from 3.8% in 2009 to a certified 20.1% in 2014 making this the fastest-advancing solar technology to date. Moreover, texturization increases the amount of light which can be absorbed through an active layer. Using Green’s formalism it is possible to calculate the photogeneration rate of a single-layer structure with Lambertian light trapping analytically. In this work we go further: we study the optical coupling between the two cells in our tandem system in order to calculate the photogeneration rate of the whole structure. We also model the electronic part of such a device by considering the perovskite top cell as an ideal diode and solving the drift-diffusion equation with appropriate boundary conditions for the silicon bottom cell. We have a four terminal structure, so our tandem system is totally unconstrained. Then we calculate the efficiency limits of our tandem including several recombination mechanisms such as Auger, SRH and surface recombination. We focus also on the dependence of the results on the band gap of the perovskite and we calculare an optimal band gap to optimize the tandem efficiency. The whole work has been continuously supported by a numerical validation of out analytic model against Silvaco ATLAS which solves drift-diffusion equations using a finite elements method. Our goal is to develop a simpler and cheaper, but accurate model to study such devices.

Numerical evaluation of material model and thickness effect on LSP induced residual stresses

Laser Shock Peening (LSP) is a technological process used to improve mechanical properties in metallic components. When a short and intense laser pulse irradiates a metallic surface, high pressure plasma is generated on the treated surface; elasto-plastic waves, then, propagate inside the target and create plastic strain. This surface treatment induces a deep compressive residual stresses field on the treated area and through the thickness; such compressive residual stress is expected to increase the fatigue resistance, and reduce the detrimental effects of corrosion and stress corrosion cracking.

Moisture and potential vorticity in medicanes: theoretical approach and case studies

Da poco più di 30 anni la comunità scientifica è a conoscenza dell’occasionale presenza di strutture cicloniche con alcune caratteristiche tropicali sul Mar Mediterraneo, i cosiddetti medicane. A differenza dei cicloni baroclini delle medie latitudini, essi posseggono una spiccata simmetria termica centrale che si estende per gran parte della troposfera, un occhio, talvolta privo di nubi, e una struttura nuvolosa a bande spiraleggianti. Ad oggi non esiste ancora una teoria completa che spieghi la loro formazione ed evoluzione. La trattazione di questa tesi, incentrata sull’analisi dei campi di vorticità potenziale e di umidità relativa, è sviluppata nell’ottica di una miglior comprensione delle dinamiche alla mesoscala più rilevanti per la nascita dei medicane. Lo sviluppo di tecniche avanzate di visualizzazione dei campi generati dal modello WRF, quali l’animazione tridimensionale delle masse d’aria aventi determinate caratteristiche, ha permesso l’individuazione di due zone di forti anomalie di due campi derivati dalla vorticità potenziale in avvicinamento reciproco, intensificazione e mutua interazione nelle ore precedenti la formazione dei medicane. Tramite la prima anomalia che è stata chiamata vorticità potenziale secca (DPV), viene proposta una nuova definizione di tropopausa dinamica, che non presenta i problemi riscontrati nella definizione classica. La seconda anomalia, chiamata vorticità potenziale umida (WPV), individua le aree di forte convezione e permette di avere una visione dinamica dello sviluppo dei medicane alle quote medio-basse. La creazione di pseudo immagini di vapore acqueo tramite la teoria del trasferimento radiativo e la comparazione di queste mappe con quelle effettivamente misurate nei canali nella banda del vapore acqueo dai sensori MVIRI e SEVIRI dei satelliti Meteosat hanno da un lato confermato l’analisi modellistica, dall’altro consentito di stimare gli errori spazio-temporali delle simulazioni. L’utilizzo dei dati di radianza nelle microonde, acquisiti dai sensori AMSU-B e MHS dei satelliti NOAA, ha aggiunto ulteriori informazioni sia sulle intrusioni di vorticità potenziale che sulla struttura degli elementi convettivi presenti sul dominio, in modo particolare sulla presenza di ghiaccio in nube. L’analisi dettagliata di tre casi di medicane avvenuti nel passato sul Mar Mediterraneo ha infine consentito di combinare gli elementi innovativi sviluppati in questo lavoro, apportando nuove basi teoriche e proponendo nuovi metodi di indagine non solo per lo studio di questi fenomeni ma anche per un’accurata ricerca scientifica su ciclogenesi di altro tipo.