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.

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.

Preconditioning strategies for the numerical solution of convection-diffusion partial differential equations

Il trattamento numerico dell'equazione di convezione-diffusione con le relative condizioni al bordo, comporta la risoluzione di sistemi lineari algebrici di grandi dimensioni in cui la matrice dei coefficienti è non simmetrica. Risolutori iterativi basati sul sottospazio di Krylov sono ampiamente utilizzati per questi sistemi lineari la cui risoluzione risulta particolarmente impegnativa nel caso di convezione dominante. In questa tesi vengono analizzate alcune strategie di precondizionamento, atte ad accelerare la convergenza di questi metodi iterativi. Vengono confrontati sperimentalmente precondizionatori molto noti come ILU e iterazioni di tipo inner-outer flessibile. Nel caso in cui i coefficienti del termine di convezione siano a variabili separabili, proponiamo una nuova strategia di precondizionamento basata sull'approssimazione, mediante equazione matriciale, dell'operatore differenziale di convezione-diffusione. L'azione di questo nuovo precondizionatore sfrutta in modo opportuno recenti risolutori efficienti per equazioni matriciali lineari. Vengono riportati numerosi esperimenti numerici per studiare la dipendenza della performance dei diversi risolutori dalla scelta del termine di convezione, e dai parametri di discretizzazione.

Numerical and experimental investigation of structural stiffness influence on ratcheting convection cell in granular soils under cyclic loading

Lateral cyclic loaded structures in granular soils can lead to an accumulation of irreversible strains by changing their mechanical response (densification) and forming a closed convective cell in the upper layer of the bedding. In the present thesis the convective cell dimension, formation and grain migration inside this closed volume have been studied and presented in relation to structural stiffness and different loads. This relation was experimentally investigated by applying a cyclic lateral force to a scaled flexible vertical element embedded in dry granular soil. The model was monitored with a camera in order to derive the displacement field by means of the PIV technique. Modelling large soil deformation turns out to be difficult, using mesh-based methods. Consequently, a mesh-free approach (DEM) was chosen in order to investigate the granular flow with the aim of extracting interesting micromechanical information. In both the numerical and experimental analyses the effect of different loading magnitudes and different dimensions of the vertical element were considered. The main results regarded the different development, shape and dimensions of the convection cell and the surface settlements. Moreover, the Discrete Element Method has proven to give satisfactory results in the modelling of large deformation phenomena such as the ratcheting convective cell.

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.