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.

Modeling the gas and aqueous phase chemistry of the marine boundary layer

Ein eindimensionales numerisches Modell der maritimenGrenzschicht (MBL) wurde erweitert, um chemische Reaktionenin der Gasphase, von Aerosolpartikeln und Wolkentropfen zu beschreiben. Ein Schwerpunkt war dabei die Betrachtung derReaktionszyklen von Halogenen. Soweit Ergebnisse vonMesskampagnen zur Verfuegung standen, wurden diese zurValidierung des Modells benutzt. Die Ergebnisse von frueheren Boxmodellstudien konntenbestaetigt werden. Diese zeigten die saeurekatalysierteAktivierung von Brom aus Seesalzaerosolen, die Bedeutung vonHalogenradikalen fuer die Zerstoerung von O3, diepotentielle Rolle von BrO bei der Oxidation von DMS und dievon HOBr und HOCl in der Oxidation von S(IV). Es wurde gezeigt, dass die Beruecksichtigung derVertikalprofile von meteorologischen und chemischen Groessenvon grosser Bedeutung ist. Dies spiegelt sich darin wider,dass Maxima des Saeuregehaltes von Seesalzaerosolen und vonreaktiven Halogenen am Oberrand der MBL gefunden wurden.Darueber hinaus wurde die Bedeutung von Sulfataerosolen beidem aktiven Recyceln von weniger aktiven zu photolysierbarenBromspezies gezeigt. Wolken haben grosse Auswirkungen auf die Evolution und denTagesgang der Halogene. Dies ist nicht auf Wolkenschichtenbeschraenkt. Der Tagesgang der meisten Halogene ist aufgrundeiner erhoehten Aufnahme der chemischen Substanzen in die Fluessigphase veraendert. Diese Ergebnisse betonen dieWichtigkeit der genauen Dokumentation der meteorologischenBedingungen bei Messkampagnen (besonders Wolkenbedeckungsgrad und Fluessigwassergehalt), um dieErgebnisse richtig interpretieren und mit Modellresultatenvergleichen zu koennen. Dieses eindimensionale Modell wurde zusammen mit einemBoxmodell der MBL verwendet, um die Auswirkungen vonSchiffemissionen auf die MBL abzuschaetzen, wobei dieVerduennung der Abgasfahne parameterisiert wurde. DieAuswirkungen der Emissionen sind am staerksten, wenn sie insauberen Gebieten stattfinden, die Hoehe der MBL gering istund das Einmischen von Hintergrundluft schwach ist.Chemische Reaktionen auf Hintergrundaerosolen spielen nureine geringe Rolle. In Ozeangebieten mit schwachemSchiffsverkehr sind die Auswirkungen auf die Chemie der MBL beschraenkt. In staerker befahrenen Gebieten ueberlappensich die Abgasfahnen mehrerer Schiffe und sorgen fuerdeutliche Auswirkungen. Diese Abschaetzung wurde mitSimulationen verglichen, bei denen die Emissionen alskontinuierliche Quellen behandelt wurden, wie das inglobalen Chemiemodellen der Fall ist. Wenn die Entwicklungder Abgasfahne beruecksichtigt wird, sind die Auswirkungendeutlich geringer da die Lebenszeit der Abgase in der erstenPhase nach Emission deutlich reduziert ist.

Oceanic crust and island arc formation in Central Asia during late Neoproterozoic times - evidence from petrological and geochemical studies

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung des 570 Ma alten, neoproterozoischen Agardagh - Tes-Chem Ophioliths (ATCO) in Zentralasien. Dieser Ophiolith liegt südwestlich des Baikalsees (50.5° N, 95° E) und wurde im frühen Stadium der Akkretion des Zentralasiatischen Mobilgürtels auf den nordwestlichen Rand des Tuvinisch-Mongolischen Mikrokontinentes aufgeschoben. Bei dem Zentralasiatische Mobilgürtel handelt es sich um einen riesigen Akkretions-Subduktionskomplex, der heute das größte zusammenhängende Orogen der Erde darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine Reihe plutonischer und vulkanischer Gesteine, sowie verschiedene Mantelgesteine des ATCO mittels mikroanalytischer und geochemischer Verfahren untersucht (Elektronenstrahlmikrosonde, Ionenstrahlmikrosonde, Spurenelement- und Isotopengeochemie). Die Auswertung dieser Daten ermöglichte die Entwicklung eines geodynamisch-petrologischen Modells zur Entstehung des ATCO. Die vulkanischen Gesteine lassen sich aufgrund ihrer Spurenelement- und Isotopenzusammensetzung in inselbogenbezogene und back-arc Becken bezogene Gesteine (IA-Gesteine und BAB-Gesteine) unterscheiden. Darüber hinaus gibt es eine weitere, nicht eindeutig zuzuordnende Gruppe, die hauptsächlich mafische Gänge umfasst. Der grösste Teil der untersuchen Vulkanite gehört zur Gruppe der IA-Gesteine. Es handelt sich um Al-reiche Basalte und basaltische Andesite, welche aus einem evolvierten Stammmagma mit Mg# 0.60, Cr ~ 180 µg/g und Ni ~ 95 µg/g hauptsächlich durch Klinopyroxenfraktionierung entstanden sind. Das Stammmagma selbst entstand durch Fraktionierung von ca. 12 % Olivin und geringen Anteilen von Cr-Spinell aus einer primären, aus dem Mantel abgeleiteten Schmelze. Die IA-Gesteine haben hohe Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen (leichte-(L)- Seltenerdelement-(SEE)-Konzentrationen etwa 100-fach chondritisch, chondrit-normierte (La/Yb)c von 14.6 - 5.1), negative Nb-Anomalien (Nb/La = 0.37 - 0.62) und niedrige Zr/Nb Verhältnisse (7 - 14) relativ zu den BAB-Gesteinen. Initiale eNd Werte liegen bei etwa +5.5, initiale Bleiisotopenverhältnisse sind: 206Pb/204Pb = 17.39 - 18.45, 207Pb/204Pb = 15.49 - 15.61, 208Pb/204Pb = 37.06 - 38.05. Die Anreicherung lithophiler inkompatibler Spurenelemente (LILE) in dieser Gruppe ist signifikant (Ba/La = 11 - 130) und zeigt den Einfluss subduzierter Komponenten an. Die BAB-Gesteine repräsentieren Schmelzen, die sehr wahrscheinlich aus der gleichen Mantelquelle wie die IA-Gesteine stammen, aber durch höhere Aufschmelzgrade (8 - 15 %) und ohne den Einfluss subduzierter Komponenten entstanden sind. Sie haben niedrigere Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen, flache SEE-Muster ((La/Yb)c = 0.6 - 2.4) und höhere initiale eNd Werte zwischen +7.8 und +8.5. Nb Anomalien existieren nicht und Zr/Nb Verhältnisse sind hoch (21 - 48). Um die geochemische Entwicklung der vulkanischen Gesteine des ATCO zu erklären, sind mindestens drei Komponenten erforderlich: (1) eine angereicherte, ozeaninselbasalt-ähnliche Komponente mit hoher Nb Konzentration über ~ 30 µg/g, einem niedrigen Zr/Nb Verhältnis (ca. 6.5), einem niedrigen initialen eNd Wert (um 0), aber mit radiogenen 206Pb/204Pb-, 207Pb/204Pb- und 208Pb/204Pb-Verhältnissen; (2) eine N-MORB ähnliche back-arc Becken Komponente mit flachem SEE-Muster und einem hohen initialen eNd Wert von mindestens +8.5, und (3) eine Inselbogen-Komponente aus einer verarmten Mantelquelle, welche durch die abtauchende Platte geochemisch modifiziert wurde. Die geochemische Entstehung der ATCO Vulkanite lässt sich dann am besten durch eine Kombination aus Quellenkontamination, fraktionierte Kristallisation und Magmenmischung erklären. Geodynamisch gesehen entstand der ATCO sehr wahrscheinlich in einem intraozeanischen Inselbogen - back-arc System. Bei den untersuchten Plutoniten handelt es sich um ultramafische Kumulate (Wehrlite und Pyroxenite) sowie um gabbroische Plutonite (Olivin-Gabbros bis Diorite). Die geochemischen Charakteristika der mafischen Plutonite sind deutlich unterschiedlich zu denen der vulkanischen Gesteine, weshalb sie sehr wahrscheinlich ein späteres Entwicklungsstadium des ATCO repräsentieren. Die Spurenelement-Konzentrationen in den Klinopyroxenen der ultramafischen Kumulate sind extrem niedrig, mit etwa 0.1- bis 1-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit deutlich LSEE-verarmten Mustern ((La/Yb)c = 0.27 - 0.52). Berechnete Gleichgewichtsschmelzen der ultramafischen Kumulate zeigen grosse Ähnlichkeit zu primären boninitischen Schmelzen. Die primären Magmen waren daher boninitischer Zusammensetzung und entstanden in dem durch vorausgegangene Schmelzprozesse stark verarmten Mantelkeil über einer Subduktionszone. Niedrige Spurenelement-Konzentrationen zeigen einen geringen Einfluss der abtauchenden Platte an. Die Spurenelement-Konzentrationen der Gabbros sind ebenfalls niedrig, mit etwa 0.5 - 10-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit variablen SEE-Mustern ((La/Yb)c = 0.25 - 2.6). Analog zu den Vulkaniten der IA-Gruppe haben alle Gabbros eine negative Nb-Anomalie mit Nb/La = 0.01 - 0.31. Die initialen eNd Werte der Gabbros variieren zwischen +4.8 und +7.1, mit einem Mittelwert von +5.9, und sind damit identisch mit denen der IA-Vulkanite. Bei den untersuchten Mantelgesteinen handelt es sich um teilweise serpentinisierte Dunite und Harzburgite, die alle durch hohe Mg/Si- und niedrige Al/Si-Verhältnisse gekennzeichnet sind. Dies zeigt einen refraktären Charakter an und steht in guter Übereinstimmung mit den hohen Cr-Zahlen (Cr#) der Spinelle (bis zu Cr# = 0.83), auf deren Basis der Aufschmelzgrad der residuellen Mantelgesteine berechnet wurde. Dieser beträgt etwa 25 %. Die geochemische Zusammensetzung und die petrologischen Daten der Ultramafite und Gabbros lassen sich am besten erklären, wenn man für die Entstehung dieser Gesteine einen zweistufigen Prozess annimmt. In einer ersten Stufe entstanden die ultramafischen Kumulate unter hohem Druck in einer Magmenkammer an der Krustenbasis, hauptsächlich durch Klinopyroxen-Fraktionierung. Bei dieser Magmenkammer handelte es sich um ein offenes System, dem von unten laufend neue Schmelze zugeführt wurde, und aus dem im oberen Bereich evolviertere Schmelzen geringerer Dichte entwichen. Diese evolvierten Schmelzen stiegen in flachere krustale Bereiche auf und bildeten dort meist isolierte Intrusionskörper. Diese Intrusionskörper erstarrten ohne Magmen-Nachschub, weshalb petrographisch sehr unterschiedliche Gesteine entstehen konnten. Eine geochemische Modifikation der abkühlenden Schmelzen erfolgte allerdings durch die Assimilation von Nebengestein. Da innerhalb der Gabbros keine signifikante Variation der initalen eNd Werte existiert, handelte es sich bei dem assimilierten Material hauptsächlich um vulkanische Gesteine des ATCO und nicht um ältere, möglicherweise kontinentale Kruste.

Hybrid Methods for Resource Allocation and Scheduling Problems in Deterministic and Stochastic Environments

This work presents exact, hybrid algorithms for mixed resource Allocation and Scheduling problems; in general terms, those consist into assigning over time finite capacity resources to a set of precedence connected activities. The proposed methods have broad applicability, but are mainly motivated by applications in the field of Embedded System Design. In particular, high-performance embedded computing recently witnessed the shift from single CPU platforms with application-specific accelerators to programmable Multi Processor Systems-on-Chip (MPSoCs). Those allow higher flexibility, real time performance and low energy consumption, but the programmer must be able to effectively exploit the platform parallelism. This raises interest in the development of algorithmic techniques to be embedded in CAD tools; in particular, given a specific application and platform, the objective if to perform optimal allocation of hardware resources and to compute an execution schedule. On this regard, since embedded systems tend to run the same set of applications for their entire lifetime, off-line, exact optimization approaches are particularly appealing. Quite surprisingly, the use of exact algorithms has not been well investigated so far; this is in part motivated by the complexity of integrated allocation and scheduling, setting tough challenges for ``pure'' combinatorial methods. The use of hybrid CP/OR approaches presents the opportunity to exploit mutual advantages of different methods, while compensating for their weaknesses. In this work, we consider in first instance an Allocation and Scheduling problem over the Cell BE processor by Sony, IBM and Toshiba; we propose three different solution methods, leveraging decomposition, cut generation and heuristic guided search. Next, we face Allocation and Scheduling of so-called Conditional Task Graphs, explicitly accounting for branches with outcome not known at design time; we extend the CP scheduling framework to effectively deal with the introduced stochastic elements. Finally, we address Allocation and Scheduling with uncertain, bounded execution times, via conflict based tree search; we introduce a simple and flexible time model to take into account duration variability and provide an efficient conflict detection method. The proposed approaches achieve good results on practical size problem, thus demonstrating the use of exact approaches for system design is feasible. Furthermore, the developed techniques bring significant contributions to combinatorial optimization methods.

Towards Rapid Environmental Assessment and Coastal Forecasting in the Northern Adriatic Sea

A new Coastal Rapid Environmental Assessment (CREA) strategy has been developed and successfully applied to the Northern Adriatic Sea. CREA strategy exploits the recent advent of operational oceanography to establish a CREA system based on an operational regional forecasting system and coastal monitoring networks of opportunity. The methodology wishes to initialize a coastal high resolution model, nested within the regional forecasting system, blending the large scale parent model fields with the available coastal observations to generate the requisite field estimates. CREA modeling system consists of a high resolution, O(800m), Adriatic SHELF model (ASHELF) implemented into the Northern Adriatic basin and nested within the Adriatic Forecasting System (AFS) (Oddo et al. 2006). The observational system is composed by the coastal networks established in the framework of ADRICOSM (ADRiatic sea integrated COastal areaS and river basin Managment system) Pilot Project. An assimilation technique exerts a correction of the initial field provided by AFS on the basis of the available observations. The blending of the two data sets has been carried out through a multi-scale optimal interpolation technique developed by Mariano and Brown (1992). Two CREA weekly exercises have been conducted: the first, at the beginning of May (spring experiment); the second in middle August (summer experiment). The weeks have been chosen looking at the availability of all coastal observations in the initialization day and one week later to validate model results, verifying our predictive skills. ASHELF spin up time has been investigated too, through a dedicated experiment, in order to obtain the maximum forecast accuracy within a minimum time. Energetic evaluations show that for the Northern Adriatic Sea and for the forcing applied, a spin-up period of one week allows ASHELF to generate new circulation features enabled by the increased resolution and its total kinetic energy to establish a new dynamical balance. CREA results, evaluated by mean of standard statistics between ASHELF and coastal CTDs, show improvement deriving from the initialization technique and a good model performance in the coastal areas of the Northern Adriatic basin, characterized by a shallow and wide continental shelf subject to substantial freshwater influence from rivers. Results demonstrate the feasibility of our CREA strategy to support coastal zone management and wish an additional establishment of operational coastal monitoring activities to advance it.