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Curved boundaries in multi-layer Shallow Water Lattice Boltzmann Methods: bounce back versus immersed boundary
No full textSimulazioni sperimentali e numeriche di correnti di gravità
No full textObiettivo di questo lavoro è l’analisi di correnti di gravità su fondo inclinato a differenti pendenze attraverso esperimenti di laboratorio e simulazioni numeriche. Le correnti di gravità sono state realizzate rilasciando istantaneamente una massa fluida a densità iniziale ρ01 in una massa fluida a densità ρ2 (ρ01>ρ2). Ciascun esperimento è stato ripreso con una telecamera digitale ed è stata poi applicata una tecnica di analisi di immagine per misurare l’evoluzione spazio-temporale del profilo della corrente. Per simulare le correnti di gravità è stato poi utilizzato un modello shallow-water monodimensionale a due strati. Il modello tiene conto dell’evoluzione spazio-temporale della superficie libera. Il mescolamento all’interfaccia tra i due fluidi è modellato attraverso una forma modificata della formula di Ellison & Turner (1959). Sono state realizzate diverse prove numeriche per calibrare un parametro di mescolamento allo scopo di riprodurre correttamente le correnti di gravità sia su fondo piano sia su fondo acclive. Il confronto tra risultati numerici e sperimentali mostra che il modello sviluppato è un valido strumento per riprodurre la dinamica delle correnti di gravità in un inquadramento monodimensionale
Correnti di gravità su fondo acclive: esperimenti di laboratorio e simulazioni numeriche
No full textUna corrente di gravità si genera ogni qual volta due masse fluide a diversa densità entrano in
contatto tra loro. Il gradiente di densità tra i due fluidi può essere dovuto ad una differenza di
temperatura o di salinità tra di essi oppure alla presenza di sedimenti in sospensione in uno dei
due fluidi. Obiettivo del presente lavoro è lo studio della dinamica di correnti di gravità
realizzate su fondo acclive attraverso esperimenti di laboratorio e simulazioni numeriche.
Le correnti sono state realizzate in laboratorio tramite la tecnica del “Lock Exchange”, che
consiste nel rilascio istantaneo di un fluido denso all’interno di un fluido ambiente a densità
inferiore (Nogueira et al., 2014). In Figura 1 è riportato uno schema dell’apparato
sperimentale utilizzato: una vasca in plexiglass a sezione rettangolare è stata divisa in due
volumi distinti separati da un setto verticale rimovibile posto a distanza x0 dalla parete iniziale
della vasca. Il volume a sinistra è stato riempito con una soluzione salina colorata a densità
maggiore rho1, mentre la restante parte della vasca è stata riempita con acqua dolce a densità
minore rho2. Entrambi i volumi, in cui è stata suddivisa la vasca, sono stati riempiti fino ad
un’altezza h0, misurata in corrispondenza della posizione del setto x0. La vasca è stata posta su
una struttura inclinabile in modo tale da poter modificare l’angolo theta tra il fondo della vasca e
l’orizzontale. L’esperimento ha inizio con la rimozione del setto di separazione ed il fluido
denso collassa lungo il fondo della vasca scorrendo verso destra al di sotto del fluido ambiente
più leggero, dando origine ad una corrente di gravità. L’esperimento si considera concluso
non appena il fronte della corrente raggiunge la parete finale della vasca. Il video di ciascun
esperimento è stato acquisito con una telecamera digitale e tramite una tecnica di analisi
d’immagine è stata misurata l’evoluzione spazio-temporale dell’interfaccia tra la corrente
densa e il fluido ambiente (Nogueira et al., 2013; La Rocca et al., 2012). Gli esperimenti sono
stati realizzati mantenendo costanti i valori di rho1, rho2, x0 e h0 e testando diversi valori
dell’angolo theta. I risultati sperimentali mostrano un assottigliamento del corpo della corrente
durante il suo sviluppo su fondo acclive e la presenza di un accumulo di fluido denso nella
parte iniziale della vasca (Figura 2). Tale comportamento è stato osservato per tutte le prove
realizzate su fondo acclive. Dalle misure sperimentali si è osservata una diminuzione della
velocità della corrente all’aumentare dell’angolo theta, in particolare la corrente realizzata con il
valore più alto di theta non raggiunge la parete finale della vasca.
Le simulazioni numeriche sono state realizzate utilizzando un modello shallow-water 1D a
due strati, che tiene conto della superficie libera, del mescolamento tra i due fluidi e della
variazione spazio-temporale della densità della corrente di gravità. Attraverso il confronto tra
le misure di laboratorio e i risultati numerici ottenuti con il modello proposto e con il modello
shallow-water di Adduce et al. (2012), basato sull’ipotesi di omogeneità della densità della
corrente, è stato studiato l’effetto del gradiente di densità sulla simulazione di correnti gravità.
In Figura 2 è riportato il confronto tra i profili numerici ottenuti con entrambi i modelli e la
corrente di gravità generata sperimentalmente per una prova realizzata su fondo acclive. Dal
confronto dei risultati emerge che il modello proposto è in grado riprodurre la forma della
corrente e la posizione del fronte in modo più efficace rispetto al modello di Adduce et al.
(2012). E’ stato osservato un buon accordo con le misure sperimentali per le correnti
realizzate sia su fondo orizzontale che su fondo acclive. Inoltre dal confronto tra i risultati
numerici ottenuti con entrambi i modelli e i valori sperimentali della componente orizzontale
della velocità ottenuti mediante la Particle Image Velocimetry, è stato osservato un buon
accordo tra dati sperimentali e i valori di velocità predetti dal modello proposto
Roughness effects on gravity currents dynamics
No full textThe aim of this paper is the investigation of gravity currents moving on both smooth and rough beds by laboratory experiments. Gravity currents were produced by lock exchange release experiments. Three runs were performed in which the initial density of the gravity current was fixed, while three different bed’s roughness were tested. All the experiments were recorded by a camera and an image analysis technique was applied to measure the space-time evolution of the gravity current’s profile. For the experiment with a smooth bed three different phases can be observed in the gravity current’s dynamics: a first slumping or constant speed phase, a second self similar phase and a third viscous phase, in which the front velocity decreases as time increases. In both the experiments performed with a rough bed the measured front velocities were observed to be lower than the front velocity of the gravity current moving on a smooth bed. The observed general trend is that as the roughness increases the front speed decreases
Holistic Map of Internal Solitary Waves Propagating Through Background Currents
No full textRecent studies have shown that background currents deeply affect Internal Solitary Waves (ISWs) behavior as they propagate in the stratified coastal oceans. Shear currents, in particular, are observed to significantly impact waves geometry and their kinematics. By building upon a fully non-linear theoretical model for a two-layer configuration, we investigate features of all possible ISWs propagating through a background shear current. We then implement an analytical procedure and a corresponding graphical map, capable of revealing the background current intensity associated with specific ISWs features. With the increasing availability of solitary wave properties derived from satellite imagery, this study can serve as a valuable resource for advancing research in coastal ocean dynamics
Axisymmetric three-dimensional gravity currents generated by lock exchange
Full text linkUnconfined three-dimensional gravity currents generated by lock exchange using a small dividing gate in a sufficiently large tank are investigated by means of large eddy simulations under the Boussinesq approximation, with Grashof numbers varying over five orders of magnitudes. The study shows that, after an initial transient, the flow can be separated into an axisymmetric expansion and a globally translating motion. In particular, the circular frontline spreads like a constant-flow-rate, axially symmetric gravity current about a virtual source translating along the symmetry axis. The flow is characterised by the presence of lobe and cleft instabilities and hydrodynamic shocks. Depending on the Grashof number, the shocks can either be isolated or produced continuously. In the latter case a typical ring structure is visible in the density and velocity fields. The analysis of the frontal spreading of the axisymmetric part of the current indicates the presence of three regimes, namely, a slumping phase, an inertial-buoyancy equilibrium regime and a viscous-buoyancy equilibrium regime. The viscous-buoyancy phase is in good agreement with the model of Huppert (J. Fluid Mech., vol. 121, 1982, pp. 43-58), while the inertial phase is consistent with the experiments of Britter (Atmos. Environ., vol. 13, 1979, pp. 1241-1247), conducted for purely axially symmetric, constant inflow, gravity currents. The adoption of the slumping model of Huppert & Simpson (J. Fluid Mech., vol. 99 (04), 1980, pp. 785-799), which is here extended to the case of constant-flow-rate cylindrical currents, allows reconciling of the different theories about the initial radial spreading in the context of different asymptotic regimes. As expected, the slumping phase is governed by the Froude number at the lock's gate, whereas the transition to the viscous phase depends on both the Froude number at the gate and the Grashof number. The identification of the inertial-buoyancy regime in the presence of hydrodynamic shocks for this class of flows is important, due to the lack of analytical solutions for the similarity problem in the framework of shallow water theory. This fact has considerably slowed the research on variable-flow-rate axisymmetric gravity currents, as opposed to the rapid development of the knowledge about cylindrical constant-volume and planar gravity currents, despite their own environmental relevance
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Unconfined lock-exchange gravity currents with variable lock width: laboratory experiments and shallow-water simulations
Full text linkThe dynamics of unconfined gravity currents generated by a lock-exchange with different lock widths is considered. The gravity currents were generated by density differences caused by a salinity gradient and were realized both numerically and experimentally. Several runs were carried out in order to study the role played by the lock width in the current dynamics. Numerical simulations were performed with a new single-layer, 2D, shallow-water model, which accounts for the dilution of the gravity current due to the entrained ambient fluid. By the comparison between experimental and numerical results, the relevant role played by the entrainment in the propagation velocity of the front emerges, mainly for the cases with a narrow lock. The effect of the lock width on the current dynamics is also highlighted: the lock chocks the flow causing a localized loss of mechanical energy and a consequent deceleration of the flow. Results show that the smaller is the lock, the larger is the loss of energy
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