The atmospheric stable boundary layer: Data analysis and comparison with similarity theories

The objective of this dissertation is to study the structure and behavior of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in stable conditions. This type of boundary layer is not completely well understood yet, although it is very important for many practical uses, from forecast modeling to atmospheric dispersion of pollutants. We analyzed data from the SABLES98 experiment (Stable Atmospheric Boundary Layer Experiment in Spain, 1998), and compared the behaviour of this data using Monin-Obukhov's similarity functions for wind speed and potential temperature. Analyzing the vertical profiles of various variables, in particular the thermal and momentum fluxes, we identified two main contrasting structures describing two different states of the SBL, a traditional and an upside-down boundary layer. We were able to determine the main features of these two states of the boundary layer in terms of vertical profiles of potential temperature and wind speed, turbulent kinetic energy and fluxes, studying the time series and vertical structure of the atmosphere for two separate nights in the dataset, taken as case studies. We also developed an original classification of the SBL, in order to separate the influence of mesoscale phenomena from turbulent behavior, using as parameters the wind speed and the gradient Richardson number. We then compared these two formulations, using the SABLES98 dataset, verifying their validity for different variables (wind speed and potential temperature, and their difference, at different heights) and with different stability parameters (zita or Rg). Despite these two classifications having completely different physical origins, we were able to find some common behavior, in particular under weak stability conditions.

Turbulence models in the atmospheric boundary layer under convective conditions

In this work a modelization of the turbulence in the atmospheric boundary layer, under convective condition, is made. For this aim, the equations that describe the atmospheric motion are expressed through Reynolds averages and, then, they need closures. This work consists in modifying the TKE-l closure used in the BOLAM (Bologna Limited Area Model) forecast model. In particular, the single column model extracted from BOLAM is used, which is modified to obtain other three different closure schemes: a non-local term is added to the flux- gradient relations used to close the second order moments present in the evolution equation of the turbulent kinetic energy, so that the flux-gradient relations become more suitable for simulating an unstable boundary layer. Furthermore, a comparison among the results obtained from the single column model, the ones obtained from the three new schemes and the observations provided by the known case in literature ”GABLS2” is made.

Modelling the stable, nocturnal boundary layer: different approaches to turbulence closure problem

Il lavoro è dedicato all'analisi fisica e alla modellizzazione dello strato limite atmosferico in condizioni stabili. L'obiettivo principale è quello di migliorare i modelli di parametrizzazione della turbulenza attualmente utilizzati dai modelli meteorologici a grande scala. Questi modelli di parametrizzazione della turbolenza consistono nell' esprimere gli stress di Reynolds come funzioni dei campi medi (componenti orizzontali della velocità e temperatura potenziale) usando delle chiusure. La maggior parte delle chiusure sono state sviluppate per i casi quasi-neutrali, e la difficoltà è trattare l'effetto della stabilità in modo rigoroso. Studieremo in dettaglio due differenti modelli di chiusura della turbolenza per lo strato limite stabile basati su assunzioni diverse: uno schema TKE-l (Mellor-Yamada,1982), che è usato nel modello di previsione BOLAM (Bologna Limited Area Model), e uno schema sviluppato recentemente da Mauritsen et al. (2007). Le assunzioni delle chiusure dei due schemi sono analizzate con dati sperimentali provenienti dalla torre di Cabauw in Olanda e dal sito CIBA in Spagna. Questi schemi di parametrizzazione della turbolenza sono quindi inseriti all'interno di un modello colonnare dello strato limite atmosferico, per testare le loro predizioni senza influenze esterne. Il confronto tra i differenti schemi è effettuato su un caso ben documentato in letteratura, il "GABLS1". Per confermare la validità delle predizioni, un dataset tridimensionale è creato simulando lo stesso caso GABLS1 con una Large Eddy Simulation. ARPS (Advanced Regional Prediction System) è stato usato per questo scopo. La stratificazione stabile vincola il passo di griglia, poichè la LES deve essere ad una risoluzione abbastanza elevata affinchè le tipiche scale verticali di moto siano correttamente risolte. Il confronto di questo dataset tridimensionale con le predizioni degli schemi turbolenti permettono di proporre un insieme di nuove chiusure atte a migliorare il modello di turbolenza di BOLAM. Il lavoro è stato compiuto all' ISAC-CNR di Bologna e al LEGI di Grenoble.

The wind profile in the atmospheric stable boundary layer over complex terrain and heterogeneous surfaces: limitations of local similarity theory

L'indagine ha riguardato il profilo del vento nei primi 30 metri dello strato limite atmosferico stabile nell'ambito della teoria di similarità locale. Ad oggi, diversi esperimenti hanno confermato la validità della teoria per strati-limite su terreni livellati e superfici omogenee. Tali condizioni ideali sono però infrequenti nella realtà ed è perciò importante capire quali siano i limiti della similarità locale per strati-limite su terreni complessi e superfici disomogenee. Entrambe le condizioni sono presenti a Ny-Alesund (Svalbard, Norvegia) dove il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), nel 2009, ha installato una torre di 30 m, la Amudsen-Nobile Climate Change Tower (CCT), per lo studio dello strato-limite artico. Il lavoro di tesi ha riguardato misure di vento e turbolenza acquisite sulla CCT da maggio 2012 a maggio 2014. Il confronto tra le velocità del vento misurate dagli anemometri installati sulla CCT, ha rivelato criticità nel dato sonico manifestatesi con sovrastime sistematiche e maggiore erraticità rispetto alle misure provenienti dagli anemometri a elica. Un test condotto fra diversi metodi per il calcolo dei gradienti verticali della velocità del vento ha rivelato scarsa sensibilità dei risultati ottenuti al particolare metodo utilizzato. Lo studio ha riguardato i gradienti verticali adimensionali della velocità del vento nei primi 30-m dello strato limite stabile. Deviazioni significative tra i tra le osservazioni e i valori predetti dalla similarità locale sono state osservate in particolare per i livelli più distanti dal suolo e per valori crescenti del parametro di stabilità z/L (L, lunghezza di Obukhov locale). In particolare, si sono osservati gradienti adimensionali inferiori a quelli predetti dalle più usate relazioni di flusso-gradiente. Tali deviazioni, presenti perlopiù per z/L>0.1, sono state associate ad un effetto di accentuazione della turbolenza da parte delle irregolarità del terreno. Per condizioni meno stabili, z/L<0.1, scarti positivi tra i gradienti osservati e quelli attesi sono stati attribuiti alla formazione di strati limite interni in condizioni di vento dal mare verso la costa. Sono stati proposti diversi metodi per la stima dell'effetto della self-correlazione nella derivazione delle relazioni di flusso-gradiente, dovuta alla condivisione della variabile u*. La formula per il coefficiente lineare di self correlazione e le sue distribuzioni di probabilità empiriche sono state derivate e hanno permesso di stimare il livello di self-correlazione presente nel dataset considerato.

Heat-transfer enhancement with pulsed jets in turbulent pipe flow at high-Reynolds number

Improving heat transfer is a critical area of ​​research in various fields such as thermal engineering, energy conversion and aeronautical engineering. The aim of this thesis is to present the design, construction and testing of an experimental setup for the study of heat transfer enhancement in a turbulent boundary layer using cross-flow pulsed jets. The set-up is designed to generate and control pulsed jets, measure heat transfer and acquire all parameters related to wind tunnel flow and is also capable of varying the parameters of the pulsed jets, such as frequency, amplitude and the duty cycle, in order to study the effects on the increase in heat transfer. The thesis describes the design phases, the construction process and the final successful testing of the plant. The test results verify the functionality and accuracy of the set-up and ensure that it can be used to perform a full experimental campaign to investigate heat transfer enhancement using cross-flow pulsed jets in a turbulent layer boundary.

Simulazione numerica di fenomeni aeroelastici con applicazione alle strutture civili

Il presente lavoro tratta lo studio dei fenomeni aeroelastici di interazione fra fluido e struttura, con il fine di provare a simularli mediante l’ausilio di un codice agli elementi finiti. Nel primo capitolo sono fornite alcune nozioni di fluidodinamica, in modo da rendere chiari i passaggi teorici fondamentali che portano alle equazioni di Navier-Stokes governanti il moto dei fluidi viscosi. Inoltre è illustrato il fenomeno della formazione di vortici a valle dei corpi tozzi dovuto alla separazione dello strato limite laminare, con descrizione anche di alcuni risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche. Nel secondo capitolo vengono presi in rassegna i principali fenomeni di interazione fra fluido e struttura, cercando di metterne in luce le fondamenta della trattazione analitica e le ipotesi sotto le quali tale trattazione è valida. Chiaramente si tratta solo di una panoramica che non entra in merito degli sviluppi della ricerca più recente ma fornisce le basi per affrontare i vari problemi di instabilità strutturale dovuti a un particolare fenomeno di interazione con il vento. Il terzo capitolo contiene una trattazione più approfondita del fenomeno di instabilità per flutter. Tra tutti i fenomeni di instabilità aeroelastica delle strutture il flutter risulta il più temibile, soprattutto per i ponti di grande luce. Per questo si è ritenuto opportuno dedicargli un capitolo, in modo da illustrare i vari procedimenti con cui si riesce a determinare analiticamente la velocità critica di flutter di un impalcato da ponte, a partire dalle funzioni sperimentali denominate derivate di flutter. Al termine del capitolo è illustrato il procedimento con cui si ricavano sperimentalmente le derivate di flutter di un impalcato da ponte. Nel quarto capitolo è presentato l’esempio di studio dell’impalcato del ponte Tsing Ma ad Hong Kong. Sono riportati i risultati analitici dei calcoli della velocità di flutter e di divergenza torsionale dell’impalcato e i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per stimare i coefficienti aerodinamici statici e il comportamento dinamico della struttura soggetta all’azione del vento. Considerazioni e commenti sui risultati ottenuti e sui metodi di modellazione numerica adottati completano l’elaborato.

Experimental analysis of a separation control device based on plasma technology

In this thesis effects of plasma actuators based on Dielectric Barrier Discharge (DBD) technology over a NACA 0015 bidimensional airfoil have been analyzed in an experimental way, at low Reynolds number. Work developed on thesis has been carried on in partnership with the Department of Electrical Engineering of Università di Bologna, inside Wind Tunnel of the Applied Aerodynamic Laboratory of Aerospace Engineering faculty. In order to verify the effectiveness of these active control devices, the analysis has shown how actuators succeed in prevent boundary layer separation only in certain conditions af angle of attack and Reynolds numbers. Moreover, in this thesis actuators’ chordwise position effect has been also analyzed, together with the influence of steady and unsteady operations.

Separation control by means of oriented DBD plasma actuators: an experimental analysis in a wind tunnel

This thesis provides an experimental analysis of the effectiveness of oriented DBD plasma actuators over a NACA 0015 airfoil at low Reynolds numbers. Tests were performed in partnership with the Department of Electrical Engineering of Bologna University, in the wind tunnel of the Applied Aerodynamics Laboratory of Aerospace Engineering faculty. Lift coefficient measurements were carried out in order to verify how an oriented plasma jet succeeds in prevent boundary layer separation. Both actuators’ chord wise position and plasma jet orientation angle have been investigated to examine which configurations lead to the best results. A particular attention has been paid also to the analysis of results in steady and unsteady plasma actuation. Questa tesi offre un’analisi sperimentale sull’efficacia di attuatori al plasma orientabili, basati su una tecnologia DBD, installati su un profilo alare NACA 0015, a bassi numeri di Reynolds. Le prove sono state condotte in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, nella galleria del vento del Laboratorio di Aerodinamica Applicata della Facoltà di Ingegneria Aerospaziale di Forlì. Per verificare come un getto orientabile di plasma riesca a prevenire la separazione dello strato limite, sono state eseguite misure sul coefficiente di portanza. Sono state indagate sia la posizione degli attuatori lungo la corda che l’angolo con cui è orientato il getto di plasma, per vedere quali configurazioni conducono ai migliori risultati. Una particolare attenzione è stata riservata all’analisi dei risultati ottenuti con plasma continuo e pulsato.

Contributo sperimentale alla ridefinizione della diffusione in parete della camera di prova della galleria del vento Dallara

Joseph Nicolas Cugnot built the first primitive car in 1769 and approximately one hundred year later the first automotive race took place. Thanks to this, for the first time the aerodynamics principles began to be applied to cars. The aerodynamic study of a car is important to improve the performance on the road, or on the track. It purposely enhances the stability in the turns and increases the maximum velocity. However, it is also useful, decrease the fuel consumption, in order to reduce the pollution. Given that cars are a very complex body, the aerodynamic study cannot be conducted following an analytical method, but it is possible, in general, to choose between two different approaches: the numerical or the experimental one. The results of numerical studies depend on the computers’ potential and on the method use to implement the mathematical model. Today, the best way to perform an aerodynamic study is still experimental, which means that in the first phase of the design process the study is performed in a wind tunnel and in later phases directly on track. The automotive wind tunnels are singular mainly due to the test chamber, which typically contains a ground simulation system. The test chamber can have different types of walls: open walls, closed walls, adaptive walls or slotted walls. The best solution is to use the slotted walls because they minimize the interference between the walls and the streamlines, the interaction between the flow and the environment, and also to contain the overall costs. Furthermore, is necessary minimize the boundary layer at the walls, without accelerating the flow, in order to provide the maximum section of homogeneous flow. This thesis aims at redefining the divergent angle of the Dallara Automobili S.P.A. wind tunnel’s walls, in order to improve the overall homogeneity. To perform this study it was necessary to acquire the pressure data of the boundary layer, than it was created the profile of the boundary layer velocity and, to minimize the experimental errors, it was calculated the displacement thickness. The results obtained shows, even if the instrument used to the experiment was not the best one, that the boundary layer thickness could be minor in case of a low diffusion angle. So it is convenient to perform another experiment with a most sensitive instrument to verified what is the better wall configuration.

Dynamics of Bora wind over the Adriatic sea: atmospheric water balance and role of air-sea fluxes and orography

The Bora wind is a mesoscale phenomenon which typically affects the Adriatic Sea basin for several days each year, especially during winter. The Bora wind has been studied for its intense outbreak across the Dinaric Alps. The properties of the Bora wind are widely discussed in the literature and scientific papers usually focus on the eastern Adriatic coast where strong turbulence and severe gust intensity are more pronounced. However, the impact of the Bora wind can be significant also over Italy, not only in terms of wind speed instensity. Depending on the synoptic pressure pattern (cyclonic or anticyclonic Bora) and on the season, heavy snowfall, severe storms, storm surges and floods can occur along the Adriatic coast and on the windward flanks of the Apennines. In the present work five Bora cases that occurred in recent years have been selected and their evolution has been simulated with the BOLAM-MOLOCH model set, developed at ISAC-CNR in Bologna. Each case study has been addressed by a control run and by several sensitivity tests, performed with the purpose of better understanding the role played by air-sea latent and sensible heat fluxes. The tests show that the removal of the fluxes induces modifications in the wind approching the coast and a decrease of the total precipitation amount predicted over Italy. In order to assess the role of heat fluxes, further analysis has been carried out: column integrated water vapour fluxes have been computed along the Italian coastline and an atmospheric water balance has been evaluated inside a box volume over the Adriatic Sea. The balance computation shows that, although latent heat flux produces a significant impact on the precipitation field, its contribution to the balance is relatively minor. The most significant and lasting case study, that of February 2012, has been studied in more detail in order to explain the impressive drop in the total precipitation amount simulated in the sensitivity tests with removed heat fluxes with respect to the CNTRL run. In these experiments relative humidity and potential temperature distribution over different cross-sections have been examined. With respect to the CNTRL run a drier and more stable boundary layer, characterised by a more pronounced wind shear at the lower levels, has been observed to establish above the Adriatic Sea. Finally, in order to demonstrate that also the interaction of the Bora flow with the Apennines plays a crucial role, sensitivity tests varying the orography height have been considered. The results of such sensitivity tests indicate that the propagation of the Bora wind over the Adriatic Sea, and in turn its meteorological impact over Italy, is influenced by both the large air-sea heat fluxes and the interaction with the Apennines that decelerate the upstream flow.

Evaluating the urban heat island for cities of Emilia-Romagna region through numerical simulations

Lo scopo di questo studio è la comprensione della dinamica dello strato limite urbano per città dell’Emilia Romagna tramite simulazioni numeriche. In particolare, l’attenzione è posta sull’ effetto isola di calore, ovvero sulla differenza di temperatura dell’aria in prossimità del suolo fra zone rurali e urbane dovuta all’urbanizzazione. Le simulazioni sono state effettuate con il modello alla mesoscala "Weather Research and Forecasting" (WRF), accoppiato con le parametrizzazioni urbane "Building Effect Parametrization" (BEP) e "Building Energy Model" (BEM), che agiscono a vari livelli verticali urbani. Il periodo di studio riguarda sei giorni caldi e senza copertura nuvolosa durante un periodo di heat wave dell’anno 2015. La copertura urbana è stata definita con il "World Urban Databes and Access Portal Tools" (WUDAPT), un metodo che permette di classificare le aree urbane in dieci "urban climate zones" (UCZ), attraverso l’uso combinato di immagini satellitari e "training areas" manualmente definite con il software Google Earth. Sono state svolte diverse simulazioni a domini innestati, con risoluzione per il dominio più piccolo di 500 m, centrato sulla città di Bologna. Le differenze fra le simulazioni riguardano la presenza o l’assenza delle strutture urbane, il metodo di innesto e tipo di vegetazione rurale. Inoltre, è stato valutato l’effetto dovuto alla presenza di pannelli fotovoltaici sopra i tetti di ogni edificio e le variazioni che i pannelli esercitano sullo strato limite urbano. Per verificare la bontà del modello, i dati provenienti dalle simulazioni sono stati confrontati con misure provenienti da 41 stazioni all’interno dell’area di studio. Le variabili confrontate sono: temperatura, umidità relativa, velocità e direzione del vento. Le simulazioni sono in accordo con i dati osservativi e riescono a riprodurre l’effetto isola di calore: la differenza di temperatura fra città e zone rurali circostanti è nulla durante il giorno; al contrario, durante la notte l’isola di calore è presente, e in media raggiunge il massimo valore di 4°C alle 1:00. La presenza dei pannelli fotovoltaici abbassa la temperatura a 2 metri dell’aria al massimo di 0.8°C durante la notte, e l’altezza dello strato limite urbano dell’ordine 200mrispetto al caso senza pannelli. I risultati mostrano come l’uso di pannelli fotovoltaici all’interno del contesto urbano ha molteplici benefici: infatti, i pannelli fotovoltaici riescono a ridurre la temperatura durante un periodo di heat wave, e allo stesso tempo possono parzialmente sopperire all’alto consumo energetico, con una conseguente riduzione del consumo di combustibili fossili.