scheda docente
materiale didattico
Il programma è articolato nei seguenti argomenti:
1. Introduzione alla dinamica oceanica e analisi dimensionale. Scale spaziali e temporali caratteristiche dei moti oceanici. Principali numeri adimensionali e loro significato fisico: Reynolds, Rossby, Richardson e Froude. Ruolo della rotazione terrestre e della stratificazione.
2. Teoria di Kolmogorov della turbolenza. Cascata dell'energia, scale caratteristiche della turbolenza, teoria di Kolmogorov del 1941 e spettro dell'energia cinetica turbolenta. Interpretazione fisica dei processi di trasferimento energetico tra scale.
3. Bilancio dell'energia cinetica turbolenta. Derivazione dell'equazione di bilancio dell'energia cinetica turbolenta, termini di produzione, trasporto, dissipazione e contributi di galleggiamento. Interpretazione fisica dei diversi meccanismi e loro rilevanza nei flussi oceanici.
4. Turbolenza nello strato limite di fondo. Struttura dello strato limite turbolento, distribuzione della velocità, sforzi turbolenti e legge logaritmica della parete. Interazione tra turbolenza e fondale marino.
5. Turbolenza in prossimità della superficie libera. Struttura dello strato limite superficiale oceanico, generazione di turbolenza indotta dal vento, flussi turbolenti di quantità di moto e calore. Effetti della stratificazione e teoria di similarità di Monin-Obukhov.
6. Turbolenza e mescolamento nel picnoclino. Stabilità della stratificazione, ruolo del numero di Richardson, produzione e soppressione della turbolenza, mescolamento verticale e trasporto attraverso il picnoclino.
7. Vortici e strutture alla mesoscala oceanica. Caratteristiche dei mesoscale eddies, dinamica delle strutture vorticose, interazione con la stratificazione e contributo ai processi di trasporto e mescolamento oceanico.
8. Modellazione numerica della turbolenza oceanica. Principi della simulazione numerica diretta (DNS), della Large Eddy Simulation (LES) e dei modelli di chiusura della turbolenza. Confronto tra i diversi approcci, ipotesi modellistiche, scale risolte e parametrizzate, vantaggi e limiti di applicabilità.
Il corso comprende esercitazioni e applicazioni numeriche finalizzate alla comprensione dei principali meccanismi fisici e all'interpretazione quantitativa dei processi turbolenti oceanici.
Pope, S. B. (2000). Turbulent Flows. Cambridge University Press.
Thorpe, S. A. (2007). An Introduction to Ocean Turbulence. Cambridge University Press.
Materiale didattico integrativo:
Slide delle lezioni, dispense, approfondimenti teorici, esercitazioni e materiale per le applicazioni numeriche forniti dal docente e resi disponibili attraverso i canali didattici del corso.
Programma
Il corso affronta i principali meccanismi fisici che governano la turbolenza e i processi di mescolamento negli oceani, con particolare riferimento alle interazioni tra strutture turbolente, stratificazione della colonna d'acqua e strati limite oceanici.Il programma è articolato nei seguenti argomenti:
1. Introduzione alla dinamica oceanica e analisi dimensionale. Scale spaziali e temporali caratteristiche dei moti oceanici. Principali numeri adimensionali e loro significato fisico: Reynolds, Rossby, Richardson e Froude. Ruolo della rotazione terrestre e della stratificazione.
2. Teoria di Kolmogorov della turbolenza. Cascata dell'energia, scale caratteristiche della turbolenza, teoria di Kolmogorov del 1941 e spettro dell'energia cinetica turbolenta. Interpretazione fisica dei processi di trasferimento energetico tra scale.
3. Bilancio dell'energia cinetica turbolenta. Derivazione dell'equazione di bilancio dell'energia cinetica turbolenta, termini di produzione, trasporto, dissipazione e contributi di galleggiamento. Interpretazione fisica dei diversi meccanismi e loro rilevanza nei flussi oceanici.
4. Turbolenza nello strato limite di fondo. Struttura dello strato limite turbolento, distribuzione della velocità, sforzi turbolenti e legge logaritmica della parete. Interazione tra turbolenza e fondale marino.
5. Turbolenza in prossimità della superficie libera. Struttura dello strato limite superficiale oceanico, generazione di turbolenza indotta dal vento, flussi turbolenti di quantità di moto e calore. Effetti della stratificazione e teoria di similarità di Monin-Obukhov.
6. Turbolenza e mescolamento nel picnoclino. Stabilità della stratificazione, ruolo del numero di Richardson, produzione e soppressione della turbolenza, mescolamento verticale e trasporto attraverso il picnoclino.
7. Vortici e strutture alla mesoscala oceanica. Caratteristiche dei mesoscale eddies, dinamica delle strutture vorticose, interazione con la stratificazione e contributo ai processi di trasporto e mescolamento oceanico.
8. Modellazione numerica della turbolenza oceanica. Principi della simulazione numerica diretta (DNS), della Large Eddy Simulation (LES) e dei modelli di chiusura della turbolenza. Confronto tra i diversi approcci, ipotesi modellistiche, scale risolte e parametrizzate, vantaggi e limiti di applicabilità.
Il corso comprende esercitazioni e applicazioni numeriche finalizzate alla comprensione dei principali meccanismi fisici e all'interpretazione quantitativa dei processi turbolenti oceanici.
Testi Adottati
Testi di riferimento principali:Pope, S. B. (2000). Turbulent Flows. Cambridge University Press.
Thorpe, S. A. (2007). An Introduction to Ocean Turbulence. Cambridge University Press.
Materiale didattico integrativo:
Slide delle lezioni, dispense, approfondimenti teorici, esercitazioni e materiale per le applicazioni numeriche forniti dal docente e resi disponibili attraverso i canali didattici del corso.
Modalità Frequenza
La frequenza alle lezioni è fortemente consigliata, al fine di favorire la comprensione degli argomenti teorici e delle applicazioni pratiche, ma non è obbligatoria.Modalità Valutazione
La verifica dell'apprendimento avviene mediante un esame orale finalizzato ad accertare il livello di conoscenza e comprensione degli argomenti trattati durante il corso. La prova consiste in una discussione sui principi fisici della turbolenza oceanica, sui meccanismi di produzione, trasferimento e dissipazione dell'energia cinetica turbolenta, sulle interazioni tra turbolenza, stratificazione e strati limite oceanici e sui principali approcci alla modellazione numerica della turbolenza. La valutazione terrà conto della padronanza dei contenuti teorici, della capacità di formulare e interpretare le equazioni fondamentali, della capacità di collegare i diversi fenomeni fisici e dell'appropriatezza del linguaggio tecnico-scientifico. Il voto finale è espresso in trentesimi.
scheda docente
materiale didattico
Richiami di analisi vettoriale e tensoriale; Operatori differenziali; Tensore gradiente del campo di velocità, di deformazione e di rotazione.
Equazioni per i fluidi viscosi e turbolenti
Fluidi viscosi ed equazioni di Navier-Stokes; Moto turbolento, equazioni di Reynolds e tensore di Reynolds.
Equazioni per i fluidi in ambiente rotante
Sistemi di riferimento in moto relativo; Effetto dell’accelerazione centrifuga e dell’accelerazione di Coriolis; Equazioni per fluidi (continuità, di bilancio della quantità di moto, di stato, di bilancio dell’energia, di bilancio della salinità e dell’umidità) in un sistema di riferimento in moto relativo; Approssimazione di Boussinesq; Scale del moto; Numeri adimensionali; condizioni al contorno.
Effetti della rotazione dell’ambiente
Flussi geostrofici omogenei e con f-plane; Dinamica della vorticità; Moti ciclonici ed anticiclonici; Strato di Ekman sul fondo e strato di Ekman superficiale.
Oceano
Circolazione generale degli oceani; Qual è il motore della circolazione oceanica? Dinamica degli oceani a grande scala (Dinamica di Sverdrup); Correnti confinate dirette ad ovest; Circolazione termoalina; Circolazione abissale; Introduzione al Remote Sensing satellitare applicato al mare e agli oceani.
Atmosfera
L’atmosfera e lo strato limite atmosferico; Stabilità statica; stratificazione atmosferica; l’importanza del numero di Froude sulla stratificazione; Circolazione generale dell’atmosfera; Microfisica delle nubi; Formazione delle precipitazioni.
- B. Cushman-Roisin, 1994, Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall.
Programma
Richiami sui vettori e tensoriRichiami di analisi vettoriale e tensoriale; Operatori differenziali; Tensore gradiente del campo di velocità, di deformazione e di rotazione.
Equazioni per i fluidi viscosi e turbolenti
Fluidi viscosi ed equazioni di Navier-Stokes; Moto turbolento, equazioni di Reynolds e tensore di Reynolds.
Equazioni per i fluidi in ambiente rotante
Sistemi di riferimento in moto relativo; Effetto dell’accelerazione centrifuga e dell’accelerazione di Coriolis; Equazioni per fluidi (continuità, di bilancio della quantità di moto, di stato, di bilancio dell’energia, di bilancio della salinità e dell’umidità) in un sistema di riferimento in moto relativo; Approssimazione di Boussinesq; Scale del moto; Numeri adimensionali; condizioni al contorno.
Effetti della rotazione dell’ambiente
Flussi geostrofici omogenei e con f-plane; Dinamica della vorticità; Moti ciclonici ed anticiclonici; Strato di Ekman sul fondo e strato di Ekman superficiale.
Oceano
Circolazione generale degli oceani; Qual è il motore della circolazione oceanica? Dinamica degli oceani a grande scala (Dinamica di Sverdrup); Correnti confinate dirette ad ovest; Circolazione termoalina; Circolazione abissale; Introduzione al Remote Sensing satellitare applicato al mare e agli oceani.
Atmosfera
L’atmosfera e lo strato limite atmosferico; Stabilità statica; stratificazione atmosferica; l’importanza del numero di Froude sulla stratificazione; Circolazione generale dell’atmosfera; Microfisica delle nubi; Formazione delle precipitazioni.
Testi Adottati
- A. Cenedese, 2006, Meccanica dei fluidi ambientale, Mc Graw-Hill.- B. Cushman-Roisin, 1994, Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall.
Modalità Frequenza
Frequenza facoltativaModalità Valutazione
Prova orale, della durata di circa un'ora, con circa due domande di teoria ed una domanda sull'esercitazione svolta dallo studente.
scheda docente
materiale didattico
Richiami di analisi vettoriale e tensoriale; Operatori differenziali; Tensore gradiente del campo di velocità, di deformazione e di rotazione.
Equazioni per i fluidi viscosi e turbolenti
Fluidi viscosi ed equazioni di Navier-Stokes; Moto turbolento, equazioni di Reynolds e tensore di Reynolds.
Equazioni per i fluidi in ambiente rotante
Sistemi di riferimento in moto relativo; Effetto dell’accelerazione centrifuga e dell’accelerazione di Coriolis; Equazioni per fluidi (continuità, di bilancio della quantità di moto, di stato, di bilancio dell’energia, di bilancio della salinità e dell’umidità) in un sistema di riferimento in moto relativo; Approssimazione di Boussinesq; Scale del moto; Numeri adimensionali; condizioni al contorno.
Effetti della rotazione dell’ambiente
Flussi geostrofici omogenei e con f-plane; Dinamica della vorticità; Moti ciclonici ed anticiclonici; Strato di Ekman sul fondo e strato di Ekman superficiale.
Oceano
Circolazione generale degli oceani; Qual è il motore della circolazione oceanica? Dinamica degli oceani a grande scala (Dinamica di Sverdrup); Correnti confinate dirette ad ovest; Circolazione termoalina; Circolazione abissale; Introduzione al Remote Sensing satellitare applicato al mare e agli oceani.
Atmosfera
L’atmosfera e lo strato limite atmosferico; Stabilità statica; stratificazione atmosferica; l’importanza del numero di Froude sulla stratificazione; Circolazione generale dell’atmosfera; Microfisica delle nubi; Formazione delle precipitazioni.
- B. Cushman-Roisin, 1994, Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall.
Programma
Richiami sui vettori e tensoriRichiami di analisi vettoriale e tensoriale; Operatori differenziali; Tensore gradiente del campo di velocità, di deformazione e di rotazione.
Equazioni per i fluidi viscosi e turbolenti
Fluidi viscosi ed equazioni di Navier-Stokes; Moto turbolento, equazioni di Reynolds e tensore di Reynolds.
Equazioni per i fluidi in ambiente rotante
Sistemi di riferimento in moto relativo; Effetto dell’accelerazione centrifuga e dell’accelerazione di Coriolis; Equazioni per fluidi (continuità, di bilancio della quantità di moto, di stato, di bilancio dell’energia, di bilancio della salinità e dell’umidità) in un sistema di riferimento in moto relativo; Approssimazione di Boussinesq; Scale del moto; Numeri adimensionali; condizioni al contorno.
Effetti della rotazione dell’ambiente
Flussi geostrofici omogenei e con f-plane; Dinamica della vorticità; Moti ciclonici ed anticiclonici; Strato di Ekman sul fondo e strato di Ekman superficiale.
Oceano
Circolazione generale degli oceani; Qual è il motore della circolazione oceanica? Dinamica degli oceani a grande scala (Dinamica di Sverdrup); Correnti confinate dirette ad ovest; Circolazione termoalina; Circolazione abissale; Introduzione al Remote Sensing satellitare applicato al mare e agli oceani.
Atmosfera
L’atmosfera e lo strato limite atmosferico; Stabilità statica; stratificazione atmosferica; l’importanza del numero di Froude sulla stratificazione; Circolazione generale dell’atmosfera; Microfisica delle nubi; Formazione delle precipitazioni.
Testi Adottati
- A. Cenedese, 2006, Meccanica dei fluidi ambientale, Mc Graw-Hill.- B. Cushman-Roisin, 1994, Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall.
Modalità Frequenza
Frequenza facoltativaModalità Valutazione
Prova orale, della durata di circa un'ora, con circa due domande di teoria ed una domanda sull'esercitazione svolta dallo studente.