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Author: Cassani, S.; Cittadino, E.
Title: Processo di raffreddamento e formazione di ghiaccio in convezione turbolenta
Date: Monday 3rd March 2008
Advisor: Valdettaro, L.
Advisor II: Abbà, A.
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Abstract: In questo lavoro si analizza il fenomeno di formazione di ghiaccio in ambienti oceanici e fluviali, caratterizzati da regimi di convezione termica turbolenta. Le rigide condizioni climatiche quali la bassa temperatura e i forti venti gelidi provocano lo sviluppo di piccoli cristalli di ghiaccio all'interno dell'acqua, che tendono ad aggregarsi fino a formare strutture di dimensioni considerevoli. Lo studio delle dinamiche di formazione del ghiaccio risulta di notevole interesse in campo biologico e geofisico, in quanto l'equilibrio degli ecosistemi è notevolmente influenzato dalla concentrazione di ghiaccio. La presenza di cristalli o di agglomerati di grosse dimensioni, inoltre, può provocare seri problemi alle attività umane quali la navigazione, o portare al danneggiamento di impianti idroelettrici. Allo scopo di descrivere i principali aspetti del fenomeno, viene utilizzato un modello matematico basato su equazioni in approssimazione di Boussinesq. Attraverso simulazioni numeriche effettuate tramite la tecnica LES (Large Eddy Simulation ) per la modellazione della turbolenza, è possibile studiare scenari molto diversi tra loro e analizzare i risultati al variare dei parametri considerati. Per poter simulare l'intero processo si rende necessaria una fase preliminare, in cui nel sistema viene raggiunto uno stato di turbolenza completamente sviluppata in assenza di ghiaccio. Partendo dalle condizioni raggiunte, è quindi possibile dare inizio al fenomeno di formazione attraverso l'introduzione di una piccola quantità di ghiaccio, combinata con un raffreddamento della superficie superiore del dominio, in modo da simulare l'abbassamento di temperatura atmosferica dovuto all'arrivo di un fronte di aria fredda. I risultati ottenuti sono valutati analizzando le relazioni esistenti tra le grandezze prese in considerazione e i parametri del modello. Particolare attenzione viene posta sulle conseguenze che l'imposizione di differenti condizioni al contorno per la temperatura ha sull'evoluzione del sistema. Successivamente si propone un modello semplificato in grado di descrivere in maniera accettabile la dinamica del fenomeno, con il vantaggio di un costo computazionale minore.