Dinamica di un'emissione gassosa in atmosfera - Studio sperimentale e numerico del fenomeno di innalzamento del pennacchio

L'obiettivo principale del lavoro di tesi è di fornire un set rilevante di dati sperimentali sull'evoluzione nello spazio della temperatura di un pennacchio di gas rilasciato da un camino nello strato limite atmosferico.
L'analisi si focalizza sull'influenza delle condizioni di rilascio sul fenomeno dell'innalzamento del pennacchio, ovvero nello spostamento dell'asse del pennacchio ad un'altezza maggiore rispetto a quella del camino.
Il fenomeno porta ad una diluizione maggiore in raia della nube di gas rilasciata e di conseguenza ad una diminuzione della concentrazione di gas al suolo misurata ed è da tenersi in considerazione per una corretta modellizzazione della sua dispersione.
Le configurazioni sperimentali realizzate cercano di approssimare in modo più realistico possibile le tipiche caratteristiche di un rilascio industriale di un gas in atmosfera.
L'analisi sperimentale è stata realizzata attraverso una campagna di misurazione nella galleria del vento in dotazione al Laboratoire de Mécanique des fluides et Acoustique presso l'Ecole Cèntrale de Lyon.

Le caratteristiche del moto del vento nello strato limite sono ricreate all'interno della galleria del vento attraverso diversi promotori di turbolenza (quali i promotori di turbolenza di Irwin ed una distribuzione di rugosità sul fondo della galleria). Il modello di sorgente realizzato è costituito da un camino cilindrico in materiale ceramico: il flusso d'aria è riscaldato per convezione su di una resistenza elettrica e rilasciato nella camera di prova della galleria.
I profili di temperatura verticali del pennacchio sono stati tracciati attraverso una serie di termocoppie disposte nella galleria del vento a diverse distanze dalla sorgente; da ogni profilo è individuato il centro di massa del pennacchio attraverso un metodo integrale.

I risultati sperimentali sono confrontati con quelli previsti da due modelli numerici sviluppati dall'equipe del LMFA (rispettivamente un metodo Euleriano integrale ed uno Lagrangiano).
Le traiettorie del centro di massa del pennacchio osservate mostrano l'importanza delle condizioni di rilascio sul sollevamento del centro di massa; sono inoltre valutate l'influenza del variare del rapporto della velocità di rilascio e della velocità del vento all'altezza dello strato limite e del variare del numero di Froude relativo al rilascio di aria.

Il primo termine definisce gli effetti dinamici mentre il secondo l'importanza relativa di questi ultimi su quelli di tipo termico (dovuti alla temperatura elevata del rilascio) sul comportamento del pennacchio e sul suo moto.
Il modello integrale "Innalzamento del pennacchio" riproduce le traiettorie dello stesso, il modello Lagrangiano "SLAM" è in grado di simulare anche la dispersione verticale e trasversale del pennacchio.
In particolare si è adottato l'approccio di Webster e Thomson (2002) nel valutare la dispersione del pennacchio: essi stabiliscono che le condizioni di rilascio (effetti di galleggiamento e dinamici) non solo modificano il sollevamento del pennacchio ma contribuiscono anche alla sua dispersione: questo è tenuto in conto nel modello aggiungendo un termine addizionale al moto delle particelle (additional spread).
In questo lavoro è realizzato un confronto tra il modello Lagrangiano senza il termine addizionale (standard)ed il modello con il termine addizionale.
Il modello integrale è in grado di riprodurre in modo accurato le misure sperimentali al variare delle condizioni di rilascio (cioè al variare del rapporto tra le velocità e del numero di Froude) mentre il modello Lagrangiano da un'accurata rappresentazione dell'intensità della dispersione della nube osservata tramite la campagna di misure di temperatura del pennacchio.
L'analisi statistica effettuata (basata su Hanna et al., 2003) porta alla validazione di entrambi i modelli e da una visione globale dei risultati, mostrando l'accuratezza dei modelli nel riprodurre i dati sperimentali al variare delle condizioni di rilascio. Inoltre sottolinea la predominanza del modello con il termine di dispersione addizionale sul modello standard nel valutare l'intensità della dispersione (il modello standard fornisce una forte sottostima).
Un ulteriore indagine sull'argomento potrebbe essere effettuata a partire dai nostri risultati: in particolare potrebbe essere considerata una valutazione della dispersione del pennacchio sul piano trasversale rispetto alla sezione della galleria del vento e dell'influenza di ostacoli al suo interno.