Two fluid numerical model for coastal applications

Wave breaking is an important coastal process, influencing hydro-morphodynamic processes such as turbulence generation and wave energy dissipation, run-up on the beach and overtopping of coastal defence structures. During breaking, waves are complex mixtures of air and water (“white water”) whose properties affect velocity and pressure fields in the vicinity of the free surface and, depending on the breaker characteristics, different mechanisms for air entrainment are usually observed. Several laboratory experiments have been performed to investigate the role of air bubbles in the wave breaking process (Chanson & Cummings, 1994, among others) and in wave loading on vertical wall (Oumeraci et al., 2001; Peregrine et al., 2006, among others), showing that the air phase is not negligible since the turbulent energy dissipation involves air-water mixture. The recent advancement of numerical models has given valuable insights in the knowledge of wave transformation and interaction with coastal structures. Among these models, some solve the RANS equations coupled with a free-surface tracking algorithm and describe velocity, pressure, turbulence and vorticity fields (Lara et al. 2006 a-b, Clementi et al., 2007). The single-phase numerical model, in which the constitutive equations are solved only for the liquid phase, neglects effects induced by air movement and trapped air bubbles in water. Numerical approximations at the free surface may induce errors in predicting breaking point and wave height and moreover, entrapped air bubbles and water splash in air are not properly represented. The aim of the present thesis is to develop a new two-phase model called COBRAS2 (stands for Cornell Breaking waves And Structures 2 phases), that is the enhancement of the single-phase code COBRAS0, originally developed at Cornell University (Lin & Liu, 1998). In the first part of the work, both fluids are considered as incompressible, while the second part will treat air compressibility modelling. The mathematical formulation and the numerical resolution of the governing equations of COBRAS2 are derived and some model-experiment comparisons are shown. In particular, validation tests are performed in order to prove model stability and accuracy. The simulation of the rising of a large air bubble in an otherwise quiescent water pool reveals the model capability to reproduce the process physics in a realistic way. Analytical solutions for stationary and internal waves are compared with corresponding numerical results, in order to test processes involving wide range of density difference. Waves induced by dam-break in different scenarios (on dry and wet beds, as well as on a ramp) are studied, focusing on the role of air as the medium in which the water wave propagates and on the numerical representation of bubble dynamics. Simulations of solitary and regular waves, characterized by both spilling and plunging breakers, are analyzed with comparisons with experimental data and other numerical model in order to investigate air influence on wave breaking mechanisms and underline model capability and accuracy. Finally, modelling of air compressibility is included in the new developed model and is validated, revealing an accurate reproduction of processes. Some preliminary tests on wave impact on vertical walls are performed: since air flow modelling allows to have a more realistic reproduction of breaking wave propagation, the dependence of wave breaker shapes and aeration characteristics on impact pressure values is studied and, on the basis of a qualitative comparison with experimental observations, the numerical simulations achieve good results.

Indagini in Deep Inference

La tesi è uno studio di alcuni aspetti della nuova metodologia “deep inference”, abbinato ad una rivisitazione dei concetti classici di proof theory, con l'aggiunta di alcuni risultati originali orientati ad una maggior comprensione dell'argomento, nonché alle applicazioni pratiche. Nel primo capitolo vengono introdotti, seguendo un approccio di stampo formalista (con alcuni spunti personali), i concetti base della teoria della dimostrazione strutturale – cioè quella che usa strumenti combinatoriali (o “finitistici”) per studiare le proprietà delle dimostrazioni. Il secondo capitolo focalizza l'attenzione sulla logica classica proposizionale, prima introducendo il calcolo dei sequenti e dimostrando il Gentzen Hauptsatz, per passare poi al calcolo delle strutture (sistema SKS), dimostrando anche per esso un teorema di eliminazione del taglio, appositamente adattato dall'autore. Infine si discute e dimostra la proprietà di località per il sistema SKS. Un percorso analogo viene tracciato dal terzo ed ultimo capitolo, per quanto riguarda la logica lineare. Viene definito e motivato il calcolo dei sequenti lineari, e si discute del suo corrispettivo nel calcolo delle strutture. L'attenzione qui è rivolta maggiormente al problema di definire operatori non-commutativi, che mettono i sistemi in forte relazione con le algebre di processo.

Correzioni asintotiche per il teorema del limite centrale generalizzato.

Vengono presentate correzioni agli sviluppi asintotici di Edgeworth per densità di somme di variabili aleatorie stabili. Queste stime sono successivamente implementate in Matlab, con particolare attenzioni agli approssimanti in forma razionale di Padè. Nell'Appendice viene poi fornita la distribuzione di zeri degli approssimanti di Padè per la funzione esponenziale.

Challenges for an Integrated Water Resource Management in the Merguellil basin (Tunisia)

La risorsa acqua in zone semi-aride è sottoposta a un'estrema variabilità climatica nello spazio e nel tempo. La gestione della risorsa acqua è quindi soggetta a un insieme di sfide quando i vincoli naturali vengono uniti agli effetti indotti da attività umana come per esempio l'aumento dello sfruttamento dell'acqua di sottosuolo, cambiamento dell'uso del suolo e presenza di infrastruttura mista. Si spera che il cambiamento climatico e l'attività risultanti dallo sviluppo economico, a corto termine aumentino la pressione su un sistema ormai sensibile. Se pianificato e gestito correttamente, lo stoccaggio dell'acqua, nelle sue varie forme, funge come un meccanismo di controllo della variabilità climatica e può potenziare la capacità adattiva. Lo uadi Merguellil è un corso d'acqua a carattere non perenne al centro della Tunisia, più specificamente a est della città di Kairouan. Il Merguellil drena la pioggia sulla dorsale Tunisina insieme al uadi Zeroud e Nebhana, ed è tra i principali fiumi che scorre sulla piana di Kairouan. Lo stoccaggio dell'acqua nel bacino assume diverse forme come i laghi collinari, i terrazzi, acqua di sottosuolo e una diga. Alcune delle opzioni per lo stoccaggio dell'acqua sono state costruite per preservare la risorsa acqua, mantenere la popolazione rurale e mantenere l'equità tra le zone a monte ed a valle ma solitamente non è mai stata fatta un'analisi comprensiva dei "trade-offs" coinvolti in tali sviluppi. Anche se la ricerca è sviluppata in questa zona, finora nessuna analisi ha cercato di combinare le dinamiche del sistema idrologico con scenari gestionali. L'analisi di scenari gestionali consente ai decisori di valutare delle alternative di pianificazione e può incrementare positivamente la loro abilità di creare delle politiche che si basino sulle necessità fisiche ma anche sociali di un particolare sistema. Questo lavoro è un primo passo verso un Sistema di Gestione Integrata della Risorsa Idrica (inglese: IWMR) capace di mettere in prospettiva strategie future su diverse scale. L'uso di uno strumento metodologico illustra le sfide associate nell'affrontare questo compito. In questo caso, un modello WEAP (Water Evaluation and Planning System) è stato sviluppato in collaborazione con partners Tunisini in modo da integrare le conoscenze su processi fisici e valutare diverse tendenze come l'aumento dell'irrigazione o il cambio di alcuni aspetti climatici. Lo strumento ora è disponibile ai ricercatori locali dove potrà essere sviluppato ulteriormente a fine di indirizzare domande più specifiche. Questo lavoro focalizza lo stoccaggio dell'acqua per poter evidenziare le interazioni dinamiche tra le diverse opzioni di stoccaggio nella zona di studio e valutare i "trade-offs" tra di esse. I risultati iniziali dimostrati in questo lavoro sono: - Se lo sfruttamento degli acquiferi fosse ristretto ai livelli delle loro ricarica, la domanda d'acqua dei diversi utilizzatori non sarebbe soddisfatta al 25% dei livelli di consumo attuale. - La tendenza di incremento dell'agricoltura di irrigazione crea un impatto più accentuato nelle risorse di sottosuolo di quello creato da un'ipotetica riduzione della piovosità all'85% - L'aumento del numero di laghi collinari riduce la quantità d'acqua che arriva a valle, allo stesso tempo aumenta la quantità d'acqua "persa" per evaporazione.

Dimensionamento di invasi per il controllo dei deflussi nei bacini urbanizzati

Urbanization is a continuing phenomenon in all the world. Grasslands, forests, etc. are being continually changed to residential, commercial and industrial complexes, roads and streets, and so on. One of the side effects of urbanization with which engineers and planners must deal with, is the increase of peak flows and volumes of runoff from rainfall events. As a result, the urban drainage and flood control systems must be designed to accommodate the peak flows from a variety of storms that may occur. Usually the peak flow, after development, is required not to exceed what would have occurred from the same storm under conditions existing prior to development. In order to do this it is necessary to design detention storage to hold back runoff and to release it downstream at controlled rates. In the first part of the work have been developed various simplified formulations that can be adopted for the design of stormwater detention facilities. In order to obtain a simplified hydrograph were adopted two approaches: the kinematic routing technique and the linear reservoir schematization. For the two approaches have been also obtained other two formulations depending if the IDF (intensity-duration-frequency) curve is described with two or three parameters. Other formulations have been developed taking into account if the outlet have a constant discharge or it depends on the water level in the pond. All these formulations can be easily applied when are known the characteristics of the drainage system and maximum discharge that these is in the outlet and has been defined a Return Period which characterize the IDF curve. In this way the volume of the detention pond can be calculated. In the second part of the work have been analyzed the design of detention ponds adopting continuous simulation models. The drainage systems adopted for the simulations, performed with SWMM5, are fictitious systems characterized by different sizes, and different shapes of the catchments and with a rainfall historical time series of 16 years recorded in Bologna. This approach suffers from the fact that continuous record of rainfall is often not available and when it is, the cost of such modelling can be very expensive, and that the majority of design practitioners are not prepared to use continuous long term modelling in the design of stormwater detention facilities. In the third part of the work have been analyzed statistical and stochastic methodologies in order to define the volume of the detention pond. In particular have been adopted the results of the long term simulation, performed with SWMM, to obtain the data to apply statistic and stochastic formulation. All these methodologies have been compared and correction coefficient have been proposed on the basis of the statistic and stochastic form. In this way engineers which have to design a detention pond can apply a simplified procedure appropriately corrected with the proposed coefficient.