Formazione di ghiaccio in regime di convezione turbolenta

Stefanoni, Andrea

Formazione di ghiaccio in regime di convezione turbolenta

Tuesday 25th September 2007

Valdettaro, L.

Abbà, A.

Questo lavoro è mirato allo studio della formazione di ghiaccio nelle zone polari in regime di convezione termica turbolenta. Raffreddando l’acqua al di sotto della temperatura di congelamento, si formano dei piccoli cristalli a forma di dischetto (frazil ice ), che raggiungono livelli di concentrazione rilevanti mescolandosi con l’acqua circostante. Il problema in questione ha un forte significato applicativo: le attività umane sono profondamente condizionate dal ghiaccio, che può provocare problemi oalla navigazione e agli impianti idroelettrici, così come la vita marina nelle regioni polari dipende dalla presenza di ghiaccio in superficie. Questo studio è svolto attraverso i risultati ottenuti da simulazioni nu emeriche: la convezione turbolenta e l’evoluzione della specie ghiaccio sono modellate attraverso un sistema di equazioni in approssimazione di Boussinesq. I campi scalari e vettoriali vengono calcolati attraverso l’impiego di un codice che simula la convezione attraverso la tecnica LES (Large Eddy Simulation ). In una prima fase si ottiene uno stato turbolento statisticamente stazionario in assenza di ghiaccio; successivamente i campi di velocità e temperatura ot atenuti da questa simulazione vengono utilizzati come condizioni iniziali per le simulazioni di formazione di ghiaccio. Si analizzano quindi le relazioni tra la concentrazione di ghiaccio e i parametri che descrivono lo stato fisico del sistema. Particolare attenzione è stata prestata alla determinazione dei valori numerici per i principali parametri che regolano le dinamiche di evoluzione del ghiaccio, e alle correlazioni statistiche tra la concentrazione di ghiaccio e le quantità di interesse fisico (temperatura, velocità). Il lavoro è diviso in cinque capitoli. Il primo capitolo è un’analisi fisica quantitativa della formazione del ghiaccio in acque turbolente. Il secondo tratta la convezione termica turbolenta, con un richiamo alla teoria di Kolmogorov. Il modello matematico della convezione turbolenta e dell’evoluzione del ghiaccio è riportato nel terzo capitolo. Il quarto descrive le tecniche di simulazione numerica utilizzate nel codice. Il quinto capitolo include i risultati originali ottenuti dalle simulazioni e un’analisi di sensitività aper i parametri che descrivono le dinamiche del fenomeno.