Baroclinic generation of streamwise vorticity in a stratified shear layer

The existence of an organized streamwise vortical structure, which is superimposed on the well known coherent spanwise vorticity in nominally two-dimensional free shear layers, has been studied extensively. In the presence of stratification, however, buoyancy forces contribute to an additional mechanism for the generation of streamwise vorticity. The purpose of the current investigation is to force the three-dimensional instability in the stratified shear layer. In this manner, we experimentally observe the effect of buoyancy on the streamwise vortex tube evolution, the evolution of the buoyancy-induced instability, and the interaction between these two vortical structures. It is found that streamwise vortices resulting from vortex stretching are weakened in regions of locally stable stratification. Buoyancy-induced vortex structures are shown to form where the unstable part of the interface is tilted by the streamwise vortex tubes. These vortices strengthen initially, then weaken downstream, the time scale for this process depending upon the degree of stratification. For initial Richardson numbers larger than about 0.03, the baroclinically weakened vortex tubes eventually disappear as the flow evolves downstream and the baroclinically generated vortices dominate the three-dimensional flow structure.

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Sommario L'esistenza di una struttura vorticosa nella direzione della corrente, che è sovrapposta alla ben nota vorticità trasversale coerente in flussi di scorrimento (free shear layer) nominalmente bidimensionali, è stata ampiamente studiata. In presenza di stratificazione, però, forze di galleggiamento contribuiscono ad un meccanismo addizionale per la generazione di vorticità nella direzione della corrente. In questa indagine si forza l'instabilità tridimensionale dei flussi stratificati. In questa maniera si osserva sperimentalmente l'effetto del galleggiamento sull'evoluzione della vorticità nella direzione della corrente, l'evoluzione della instabilità indotta dal galleggiamento e l'interazione tra queste due strutture vorticose. Si trova che i vortici nella direzione della corrente, risultanti dall'allungamento del vortice, sono indeboliti in regioni con stratificazione localmente stabile. Si osserva, inoltre, che le strutture di vortici incotte dal galleggiamento si formano quando la parte stabile dell'interfaccia viene ruotata dal tubo di vortice nella direzione della corrente. Questi vortici si rafforzano inizialmente e s'indeboliscono a valle della corrente. Per questo processo la scala temporale dipende dal grado di stratificazione. Per numeri di Richardson inizialmente più grandi di circa 0,03, i tubi di vortici baroclinicamente indeboliti eventualmente spariscono non appena il flusso evolve lungo la corrente ed i vortici generati baroclinicamente dominano la struttura di flusso tridimensionale.

     

Normal and oblique collisions of a vortex ring with a wall

The oblique collision of a vortex ring with a solid wall, atRe=/=1389, has been analysed by the direct simulation of the Navier-Stokes equations in Cartesian coordinates. In accordance with a previous experimental study [1], the secondary vorticity produced at the wall is organized into a loop-like vortex in the region of the ring furthest away from the wall. As the ring approaches the wall, the region closest is subjected to a high rate of stretching which increases the vorticity in the core. The vorticity gradients along the core generate bi-helical vortex lines continually displaced towards the region of the ring furthest away from the wall. The analysis of the vorticity and straining fields revealed that the pressure gradient along the core is responsible for the convective motion that displaces these vortex lines and accumulates secondary vorticity in the region far from the wall. This vorticity rolls up and forms a secondary structure which by self-induction moves away from the wall.The fundamental role of the differential stretching has been demonstrated by comparing the case of oblique collision with that of normal collision and with the collision of a two-dimensional vortex pair with an oblique wall.

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Sommario L'interazione di un vortice ad anello con una parete obliqua, aRe=1389, è stata analizzata mediante la simulazione diretta delle equazioni di Navier-Stokes in coordinate cartesiane. In accordo con un precedente esperimento [1] è stato evidenziato che la vorticità secondaria, prodotta alla parete, si organizza in una strutura vorticosa a loop nella regione dell'anello più lontana dalla parete. Quando il vortice si avvicina alla parete, la parte più vicina è soggetta ad un'elevata deformazione che aumenta il valore della vorticità nel core. La distribuzione non uniforme di vorticità lungo il core del vortice genera delle linee di vorticità elicoidali che vengono transportate verso la regione dell'anello più lontana dalla parete. L'analisi dei campi di vorticità e di deformazione ha rivelato che il gradiente di pressione, dovuto al campo di deformazione non uniforme lungo il core del vortice, è responsabile di un moto convettivo che trasporta le linee di vorticità ed accumula la vorticità secondaria nella regione del vortice più lontana dalla parete, dove la struttura secondaria viene generata.Il ruolo fondamentale della deformazione non uniforme è stato evidenziato mediante il confronto della collisione obliqua coni casi di collisione normale e di collisione di una coppia di vortici bidimensionali con una parete obliqua.

     

Viscous vs. inviscid interaction of a vorticity structure with a circular cylinder

The interaction of a given two-dimensional vorticity distribution with a circular cylinder is analyzed by comparing the numerical solutions provided by an inviscid and by a viscous approach. While the vorticity dynamics of high Reynolds flows in free space shows an almost inviscid behavior, at least in the starting phase, this is not the case in the presence of a solid wall where a considerable effect of viscosity is experienced since the initial stage of the evolution. In fact, the vorticity generation process at the wall may significantly influence the overall flow field even in the case of a weak interaction.A multilevel contour dynamics technique plus a vortex sheet at the body surface are introduced to study the inviscid evolution, while a viscous vortex method has been adopted for the solution of the complete Navier-Stokes equations. An energy-like relation involving forces and other global quantities of the flow is proposed together with its use as a way to control the accuracy of the numerical solution.The numerical simulation of a vorticity patch orbiting around a circular cylinder gives an interesting source of information for the study of unsteady separation providing, at the same time, a proper test to devise a simplified model within the limit of vanishing viscosity.

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Sommario In questo lavoro si studia l'interazione di una distribuzione bidimensionale di vorticità con un cilindro circolare confrontando tra loro la soluzione numerica ottenuta dalle equazioni di Navier-Stokes con quella relativa ad un modello basato sull'ipotesi di fluido non viscoso. La dinamica di strutture vorticose nello spazio libero ad alti Reynolds ha un carattere prevalentemente non viscoso, per lo meno nella fase iniziale. Invece la presenza di una parete solida introduce nel campo nuova vorticità e di conseguenza rende importanti gli effetti viscosi già dai primi istanti dell'evoluzione anche nel caso di interazione debole.Per ottenere la soluzione in assenza di viscosità è stata utilizzata una metodologia di soluzione numerica basata sullaContour Dynamics insieme ad una discontinuità della velocità tangenziale sulla parete. La soluzione delle equazioni di Navier-Stokes è invece ottenuta con un modello viscoso a vortici. Si ricava una relazione di tipo energetico tra le forze agenti sul corpo ed altre grandezze globali del campo fluidodinamico che viene utilizzata per il controllo dell'accuratezza della soluzione numerica.La simulazione numerica del moto di una distribuzione di vorticità, inizialmente uniforme, in prossimità di un cilindro circolare, mentre permette di studiare più approfonditamente i fenomeni connessi alla separazione non stazionaria dello strato limite, offre, nel contempo, uno strumento appropriato per individuare un modello semplificato per viscosità tendente a zero.

     

Experimental behaviour of the free surface in a uniform laminar stream

Summary It has been experimentally shown that in a uniform laminar free surface flow, the boundary conditions at the free surface cannot be represented by a simple non-shear condition.This statement is in particular supported by some experiments performed by the author on a high viscosity oil flow in a rectangular pipe. A surface shear viscosity may be introduced in order to characterize the behaviour of the free surface (Boussinesq).The velocity profile was measured along the axis of simmetry of the cross section. The results were in agreement with these of some numerical computations based on the above model. Similar agreement was not achieved on comparing the experimental and theoretical values obtained for the shape factor, a global parameter depending on the shape of the cross section.Such a disagreement cannot be due to experimental error and suggests that the above model is unable.

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Sommario E' fatto sperimentalmente accertato che in un moto laminare uniforme le condizioni al contorno sulla superficie libera non possono essere rappresentate dalla semplice assenza di tensioni tangenziali superficiali. Una chiara conferma viene dalla attuale serie di misure eseguite su una condotta rettangolare percorsa da olio.Per caratterizzare il comportamento della superficie libera si introduce un coefficiente di viscosità tangenziale superficiale, nell'ipotesi di comportamento newtoniano della superficie stessa (Boussinesq).I confronti fra i nostri risultati sperimentali ed i risultati numerici derivanti da tale ipotesi mostrano una possibile concordanza nella distribuzione di velocità sull'asse di simmetria della condotta ma mettono in evidenza andamenti decisamente discordanti per quanto riguarda il comportamento di un coefficiente globale, variabile con la forma della sezione.Tale discordanza non è attribuibile ad errori di misura ed indica l'inadeguatezza di un modello basato sull'ipotesi di comportamento newtoniano della superficie libera.

     

Vortex breakdown: Transition between bubble- and spiral-type breakdown

Depending on volume flux, flow visualizations in a water tunnel showed bubble-, spiral-type breakdown, and periodic transition between both. The initiation and development of bubble-type breakdown can be explained by a nonlinear feedback model. A growing asymmetry of the circumferential vorticity distribution leads to the transition to spiral-type. These conjectures are supported by experiments in which an artificially generated vortex ring induced initiation of bubble- and transition to spiral-type breakdown. To simulate vortex breakdown Navier-Stokes equations for three-dimensional, unsteady, and incompressible flows were solved. A comparison between experimental and numerical flow visualizations showed a good agreement.

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Sommario La visualizzazione del flusso in una galleria idrodinamica mostra, a seconda della portata volumetrica, una rottura delle linee vorticose di tipo a bolle, a spirale oppure una transizione periodica tra queste due. L'inizio ed il successivo sviluppo del fenomeno di rottura a bolla può venire spiegato attraverso un modello non lineare. Successivamente, all'aumentare dell'asimmetria nel profilo della vorticità circonferenziale, si ha la transizione alla rottura a spirale. Queste ipotesi vengono confermate dagli esperimenti in cui l'insorgere di ciascun tipo di rottura viene indotto attraverso un anello vorticoso generato artificalmente. Per analizzare il fenomeno della rottura delle linee vorticose sono state risolte le equazioni di Navier-Stokes per un flusso incomprimibile, tridimensionale, non stazionario. I risultati numerici ottenuti si sono mostrati in buon accordo con le visualizzazioni sperimentali.

     

Catastrophic rainfalls in the West Mediterranean area

Meteorological and thermodynamic factors associated with catastrophic flood events affecting the West Mediterranean Area have been studied. First of all, the usually assumed causal connection between cut-off lows aloft and severe storms has been thoroughly investigated. Once identified the general meteorological features, the synoptic- scale pattern and forcing are studied by using objective techniques. The thermodynamic analysis took specific form in the study of stability, precipitable water mass, convective available potential energy, vertical wind shear and bulk Richardson number. The combination of the synoptic and thermodynamic results show a strong quasi-geostrophic forcing for vertical motion at low levels while only a weak forcing at 500 hPa, high values of precipitable water mass produced by a strong convergence of water vapour near surface and convective and latent instability. Composite charts delineating the area covered by each of the indicated factors seem to be an effective tool for delimiting the are where mesoscale focusing mechanisms become effective.

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Sommario Sono stati studiati i fattori meteorologici e termodinamici associati ad eventi catastrofici di piena nell' Area Mediterranea Occidentale. Prima di tutto, la connessione fra depressioni in alta quota e temporali intensi, usualmente assunta come casuale, è stata esaurientemente investigata. Una volta identificati gli aspetti meteorologici generali, le strutture e le forzanti alla scala sinottica sono studiate usando tecniche oggettive. L'analisi termodinamica ha assunto la forma specifica nello studio della stabilità, della massa d'acqua precipitabile, dell' energia potenziale disponibile alla convenzione, del gradiente verticale di vento e del numero di Richardson. La combinazione dei risultati sinottici e termodinamici mostra una forte forzante quasi-geostrofica per lo spostamento verticale ai bassi livelli mentre la forzante a 500 hPa è debole, alti valori di massa d'acqua precipitabile prodotti da una forte convergenza di vapore d'acqua vicino alla superficie e instabilità convettiva e latente. Le carte composite che delineano l'area coperta da ciascuno dei fattori indicati sembrano essere uno strumento efficace per la delimitazione dell'area dove i meccanismi di concentrazione alla meso-scala diventano efficaci.

     

Topography effects on vortices in a rotating fluid

This paper reviews some aspects of topography effects on the dynamics of barotropic monopolar, dipolar and tripolar vortices in a rotating fluid. It is shown that the modulated point-vortex model (essentially based on conservation of potential vorticity) is capable of describing the flow evolution correctly, as can be concluded from comparisons with numerical simulations and laboratory observations.

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Sommario In questo articolo sono passati in rassegna alcuni aspetti degli effetti topografici nella dinamica dei vortici barotropici, monopolari, dipolari e tripolari in un fluido rotante. Si osserva che il modello di vortice puntiforme modulato (essenzialmente basato sulla conservazione della vorticità potenziale) è capace di descrivere correttamente l'evoluzione del flusso, come si può concludere dal paragone con simulazioni numeriche ed osservazioni di laboratorio.

     

The development of a plane laminar flow at low Reynolds numbers

Summary The development of a plane Poiseuille flow at low Reynolds numbers is studied; given any velocity distribution in the section x=0, it is possible to evaluate its evolution along the direction of motion, by means of quite simple calculation. A numerical example is also given.

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Sommario Si esamina l'evoluzione del profilo di velocità in moto piano laminare a bassi numeri di Reynolds. Assegnata una qualsiasi distribuzione di velocità nella sezione x=0, è possibile calcolare come questa si modifichi lungo il percorso. Si fornisce un esempio numerico.

     

Factors influencing non-circular ring vortex motion

Non-circular ring vortices are innately unstable, giving rise to a range of new phenomena. Here we report on our and Heertsch's [1] experiments in which vortices were generated at rectangular holes and nozzles with aspect ratios 2<<20. Different piston histories were also used. For forestrokes alone we were able to confirm the typical non-splitting motion of the primary vortex. On introducing a backstroke following the forestroke even for values of as low as 2 — values which should not give rise to splitting vortices — vortices could be made to split into 2, 3 or 4 secondary vortices. For cases where they rejoined the process was significantly different to that predicted by theory [2]. For 3 for a nozzle geometry the splitting angle is extremely sensitive to the stroke (length) so long as splitting takes place, whereas for 9>>5 the splitting angle tends to become independent of the stroke. This sensitivity on the stroke is reduced for vortices generated at a hole geometry. For all cases investigated here the splitting angle seems to be relatively insensitive to the Reynolds number. Vortices generated at hole geometries also tend to be less stable than those generated at tube geometries. Finally, the dependence of the splitting angle on the stroke length only scales with the nozzle breadth for 7>>5.

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Sommario Vortici ad anello non circolari sono intrinsecamente instabili e danno luogo ad una gamma di nuovi fenomeni. In questo articolo vengono riportati gli esperimenti degli Autori e di Heertsch in cui sono generati vortici in ugelli e fori rettangolari con rapporti geometrici =2÷20. Sono state anche usate differenti storie del moto del pistone. Nel caso in cui si usi solo la corsa in avanti si è stati capaci di confermare il moto tipico del vortice primario senza divisione del vortice stesso. Introducendo una corsa inversa, subito dopo la corsa in avanti, persino per pari circa a 2 — valore in cui il vortice non si dovrebbe dividere — i vortici si potevano dividere in due, tre o quattro vortici secondari. Nei casi in cui si verificava la riconnessione, l'evoluzione del processo era molto differente rispetto alla teoria. Per <3, per una data geometria dell'ugello, l'angolo di separazione è estremamente sensibile alla lunghezza della corsa, mentre per =5÷9 l'angolo di separazione tende a diventare indipendente dalla corsa. Questa sensibilità è ridotta per vortici generati in fori. In tutti i casi l'angolo di separazione sembra abbastanza indipendente dal numero di Reynolds. Vortici generati in corrispondenza di fori tendono ad essere meno stabili di quelli generati in ugelli. Infine, la dipendenza dall'angolo di separazione sulla lunghezza della corsa scala con l'ampiezza dell'ugello solamente per =5÷7.

     

On a stability condition for elastic plastic structures

Summary The paper considers discrete or discretized elastic-plastic structures subjected to conservative external forces and given imposed strains. Material flow laws are assumed to be associated; the plasticity condition and the hardening rule are piecewise linearized.For a given equilibrium configuration of such systems, a necessary and sufficient condition for the positivity of second order plastic work is proved. It is shown that this work is positive if and only if a certain matrix is positive definite. Connections with the kinematic stability of the configuration are discussed.The interest of the statement is two-fold. Firstly it provides a deeper understanding on the assumptions on which some techniques for elastic-plastic analysis are based. Secondly, it leads to operative procedures for stability analysis which may prove efficient in some cases, as it is illustrated with reference to the evaluation of the collapse load for elastic-perfectly plastic frames in the presence of second order geometrical effects.

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Sommario Si considerano strutture elasto-plastiche discrete e discretizzate, soggette a carichi esterni di tipo conservativo e a distorsioni assegnate. Si suppone che il legame costitutivo del materiale sia associato e la condizione di plasticità e le leggi di incrudimento vengano linearizzate a tratti.Per un'assegnata configurazione di equilibrio di un sistema di questo tipo, si dimostra una condizione necessaria e sufficiente per la positività del lavoro plastico del second'ordine; si mostra che esso è positivo se e solo se una certa matrice risulta positiva definita. Le implicazioni di questo evento con la stabilità della configurazione sono brevemente discusse.L'asserto dimostrato ha un duplice interesse. In primo luogo approfondisce il significato di alcune ipotesi alla base di certe tecniche numeriche per l'analisi elasto-plastica; in secondo luogo porta a procedimenti operativi per l'analisi della stabilità che possono rivelarsi utili in alcuni casi, come è illustrato con riferimento alla determinazione del carico di collasso di telai elasto-plastici in presenza di effetti del II ordine.

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Research sponsored by the C.N.R.     

Stochastic modeling of the thermally induced atmospheric flow at mesoscale

This paper presents a three-dimensional stochastic linear model of the atmospheric flow induced by the variability of heat flux over land surface. The primitive equations relating perturbation terms of wind field, geopotential and buoyancy are formulated as a system of stochastic partial differential equations and solved analytically. The solution is based on spectral representations of the homogeneous random fields. The flow intensity is found to be proportional to the standard deviation of the heat flux into the atmosphere. The intensity of the vertical motion becomes more sensitive to the differential heating with a larger length scale as altitude goes higher. Stability and synoptic wind inhibit the development of the flow. The proposed theory improves the understanding of the role that heterogeneous land surface plays in atmospheric circulations at the mesoscale.

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Sommario Questo lavoro presenta un modello stocastico lineare del moto atmosferico tridimensionale indotto dalla variabilità del flusso di calore sulla superficie del terreno. Le equazioni primitive che legano i termini perturbativi del campo di vento, del geopotenziale e del parametro di galleggiamento sono formulate come un sistema di equazioni stocastiche alle derivate parziali che vengono risolte analiticamente. Tale soluzione è basata su rappresentazioni spettrali di campi aleatori omogenei. L'intensità del moto risulta essere proporzionale alla deviazione standard del flusso di calore diretto verso l'atmosfera. L'intensità del moto in direzione verticale appare più sensibile al riscaldamento differenziale, con scale spaziali più grandi al crescere dell' altitudine. La stabilità ed il flusso sinottico tendono ad inibire lo sviluppo del moto. La teoria qui proposta migliora la comprensione del ruolo che la superficie eterogenea del terreno gioca nella circolazione atmosferica alla meso-scala.

     

Lifting Surface in Subsonic Unsteady Regime

The paper refers to the solution of the integral equation for the acceleration (or pressure) potential for the study of subsonic linearized unsteady flow in view of aeroelastic applications. The case considered is relevant to a trapezoidal wing infinitely thin surface without discontinuities. As is well known [1, 2], the kernel of the integral equation exhibits three singularities, two of which are integrable in elementary form, whereas, for the third one integration in principal part according to Hadamard's rule is necessary. The kernel is therefore reworked in such a way that all the singularities are separated from the regular part, and eventually the discretization is performed in such a way that only the regular part is to be recalculated for each new value of the reduced frequency. Convergence tests, comparison with other methods of solution, and time saving associated with the technique of separation are also shown.Sommario. II lavoro tratta la risoluzione del problema relativo alla equazione integrale nel potenziale di accelerazione (o di pressione) per lo studio di una corrente subsonica linearizzata nonstazionaria, in vista di applicazioni aeroelastiche. Il caso considerato è quello di una superficie alare a pianta trapezoidale in assenza di discontinuità di spessore infinitesimo. Come è noto [1, 2], il nucleo della equazione integrale in parola presenta tre singolarità, due sole delle quali sono integrabili in forma elementare, (o riconducibili ad essa), mentre per la terza è necessario far ricorso alla integrazione in parte principale alla Hadamard. Il nucleo stesso viene quindi rielaborato in modo da isolare tutte le singolarità dalla componente regolare del nucleo; si procede così alla discretizzazione dell' equazione integrale, e, per ogni valore della frequenza ridotta, va ricalcolata solo la parte regolare della matrice risolvente. Vengono poi effettuati tests di convergenza, confronti con altri metodi di soluzione, analisi sui tempi di calcolo e risparmio di tempo di calcolo dovuto alla tecnica di separazione.     

On transient development of ship waves on a running stratified ocean

Summary A theoretical study is made of the linearized problem of transient development of waves created by the free surface pressure disturbances on a running stratified ocean which is composed of two layers of fluids of different densities with the infinitely deep bottom layer. With the aid of the same method of the author (1969c), asymptotic solutions for the free and interfacial surface elevation functions are obtained explicitly. Solutions of the corresponding steady state problem of ship waves in a stratified ocean due to Crapper (1967) are recovered in the limit t without having to resort to the use of the radiation condition at infinity or an equivalent device. The solution of the problem, in general, consists of two different classes of waves. The waves of the first class are the usual surface waves for the homogeneous ocean with a little modification in amplitude; and the waves in the second class are the internal waves with large amplitude for small differences in density between the upper and lower layer of the ocean. Some discussions about the internal wave motions related to the infinitesimal density stratification and shallow upper layer are made.

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Sommario Si compie uno studio teorico sul problema linearizzato del transitorio creato da perturbazioni di pressione sulla superficie libera di un oceano stratificato formato da due strati di densità diversa con lo strato inferiore di profondità infinita. Per mezzo del metodo già sviluppato dall'autore (1969c) si ottengono soluzioni asintotiche esplicite per le funzioni che danno le quote della superficie libera e di quella di separazione. Le soluzioni del corrispondente problema a regime di onde prodotte da una nave in un oceano stratificato dovute a Crapper (1967) sono ritrovate al limite t senza dover ricorrere all'uso delle condizioni di radiazione all'infinito o ad un equivalente artificio. La soluzione del problema, in generale, consiste di due diverse classi di onde. Le onde della prima classe sono le solite onde di superficie di un oceano omogeneo con piccole modifiche nell'ampiezza; le onde della seconda classe sono onde interne con grande ampiezza per piccole differenze di densità fra lo strato superiore e inferiore dell'oceano. Si discute poi il moto ondoso interno relativo alla stratificazione infinitesimale di densità e allo strato superiore di piccole profondità.

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Summary presented to the Seventy-sixth annual meeting of the American Mathematical Society at San-Antonio, January, 1970.     

Velocity and temperature fields past a finite flat plate in a slip flow

Summary The incompressible slip flow past a finite flat plate at zero incidence and at low Reynolds numbers is treated in the Oseen approximation. An analytical expression of the shear stress at the wall is obtained by the integral Fourier transform method. The drag coefficient, the velocity perturbations and the thermal field are numerically evaluated.

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Sommario Viene trattato il flusso incompressibile con slittamento su di una lastra piana nella approssimazione di Oseen. Per mezzo del metodo delle trasformate integrali di Fourier si è ottenuta un'espressione analitica dello sforzo di taglio alla parete. Si è calcolato numericamente il coefficiente di resistenza, la perturbazione di velocità ed il campo termico.

     

Vorticity shedding from a lentil-shaped body at large incidence in uniform flow

The 2D flow about a lentil-shaped body at high incidence in uniform stream is numerically simulated for high Reynolds numbers. The separation points are fixed on the body edges and the vorticity released through a Kutta-like condition is spatially discretized by point vortices. Their Lagrangianinviscid dynamics is described by using both aconformal mapping and aboundary elements method. The present results are in good agreement with previous calculations but still not satisfactory when compared with the experiments.The aim of the present work is to investigate the effect of different Kutta conditions and the effect of different amalgamation procedures in the far wake on global quantities such as theStrouhal number or the total shed circulation. Other remarkable effects induced either by the action of viscosity or by the rising of secondary 3D motion, may not be analyzed by the present simplified model.

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Sommario Si studia il flusso attorno ad una lente ad elevata incidenza nelle ipotesi di elevato numero di Reynolds e flusso bidimensionale. I punti di separazione sono fissati sulle estremità della lente e la produzione di vorticità da questi è realizzata con opportune condizioni di Kutta. La dinamica dei vortici è descritta con un modello Lagrangiano non viscoso. I risultati, ottenuti sia con l'uso di una trasformazione conforme che con un metodo agli elementi di contorno, sono in ottimo accordo con i risultati di precedenti simulazioni numeriche, ma non sono ancora soddisfacenti se confrontati con gli esperimenti.Si analizza in termini di grandezze globali del flusso, quali il numero di Strouhal e la circolazione totale rilasciata, l'effetto di due diverse condizioni di Kutta e dell'uso di procedure di compattazione della scia lontana. Si conclude che l'uso di diverse condizioni di Kutta produce risultati pressoché identici mentre l'utilizzo di procedure di compattazione della scia può alterare in modo significativo il numero di Strouhal del flusso. Rimangono da analizzare altre possibili cause del disaccordo con le sperimentazioni quali la diffusione viscosa e la probabile presenza di moti tridimensionali.

     

Appropriate interpolation schemes for F.E. models of viscous incompressible flows

Summary A finite element model of the Navier-Stokes equations, based on low order (linear or constant) independent interpolations of the variables velocity, pressure and viscous stress, is presented. The influence of various interpolation schemes on the accuracy and the stability of the numerical solutions has been analysed. In particular the spurious short wavelength oscillations which usually deteriorate, also at low Reynolds numbers, the accuracy of F.E. models, have been eliminated by an appropriate combination of interpolation functions, performing as a F.D. staggered mesh.An upwind scheme, which is an F.E. analog of the well known upwind scheme in F.D., has been generated to overcome the stability limits at increasing Reynolds numbers.The presented discretization schemes have been applied to the classical driven cavity flow, quite generally adopted for testing new numerical models.

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Sommario Si presenta un modello agli elementi finiti per le equazioni di Navier-Stokes, basato su funzioni di interpolazione di basso grado (lineare o costante) e indipendenti per le variabili velocità pressione e sforzo viscoso. Lo scopo è di determinare l'influenza dei vari schemi di interpolazione sull'accuratezza e la stabilità delle soluzioni numeriche. In particolare le oscillazioni spurie di piccola lunghezza d'onda, che deteriorano l'accuratezza dei modelli agli elementi finiti, anche a bassi numeri di Reynolds, possono essere eliminate mediante una opportuna combinazione di funzioni di interpolazione per le diverse variabili, in modo da simulare uno sfasamento dei reticoli di discretizzazione. Si propone inoltre uno schema «upwind» analogo a quello ben noto nelle differenze finite, in grado di superare i limiti per il numero di Reynolds, dettati dai criteri di stabilità.Si sono applicati gli schemi presentati al caso di flusso di ricircolazione all'interno di una cavità con parete mobile, che viene usualmente preso in considerazione come caso di confronto per nuovi modelli di simulazione numerica.

     

The nonlinear evolution of swirling jets

We investigate the mechanisms of vorticity concentration, reorientation and stretching in a swirling jet, whose dynamics is dominated by the competition of a Kelvin-Helmholtz-type vortex sheet instability and a centrifugal Rayleigh instability. To this end, we employ an inviscid Lagrangian vortex filament technique. It is found that the axial jet velocity profile breaks the symmetry of the pure swirling flow. Conversely, the swirl is seen to modify the case dominated by a Kelvin-Helmholtz instability in that it results in the formation of counterrotating vortex rings. A pinch-off mechanism is observed which leads to a dramatic decrease in the local jet diameter. Furthermore, the vortex ring circulation is seen to be time dependent.

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Sommario In questo lavoro si analizza la dinamica della vorticità in un setto rotante in cui siano presenti, ed in competizione reciproca, fenomeni di instabilità di Kelvin-Helmholtz e di Rayleigh. A tale scopo si adotta una metodologia di soluzione non viscosa, Lagrangiana a filamenti vorticosi. Viene mostrato come il profilo di velocità assiale del getto altera la simmetria del moto di pura rotazione. Viceversa, la presenza della rotazione modifica il flusso dominato dall'instabilità di Kelvin-Helmholtz attraverso la formazione di anelli vorticosi controrotanti. L'interazione di questi due campi di velocità porta sia ad una considerevole riduzione del diametro locale del getto, sia ad una variazione temporale della circolazione degli anelli vorticosi.

     

Induced vibrations and dynamic instabilities of a non linear structural model due to pulse loading

Summary In this paper we present some results from a model of Shanley type, used as a tool to investigate anomalous computed response behavior of a pin-ended beam subjected to a short pulse of transverse force. The nature of critical load values is here studied, using both exact solutions and an approximate step-by-step numerical integration of standard type. It is shown that convergence with decreasing time step may fail, near a critical value. The significance of these results for the original beam computational problem, and for other physical structures, is indicated briefly.

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Sommario Il presente lavoro illustra alcuni risultati ottenuti mediante un modello alla Shanley, usato per analizzare anomalie ottenute numericamente nel comportamento di una trave incernierata soggetta a un carico trasversale, applicato nella forma di un breve impulso. Viene studiata la natura di alcuni valori critici del carico, facendo uso sia di soluzioni esatte che di metodi approssimati di integrazione numerica. Si mostra che al crescere della accuratezza può non esservi convergenza dei risultati, e che vi è anzi divergenza per alcuni valori critici del passo di integrazione. Si discute brevemente l'interesse di tali risultati nei confronti delle difficoltà numeriche ottenute studiando il problema originale di trave incernierata.

     

A numerical solution of the nonlinear wave resistance problem for simple shaped submerged bodies

Summary This paper presents a numerical method to compute the nonlinear wave resistance of a body, submerged in a free stream of infinite depth. The solution is given in the form of a potential of single layer and the nonlinear boundary conditions on the free surface are fulfilled by means of an iterative procedure. Results are shown for the 2-D case of an elliptical cylinder and for the 3-D case of prolate spheroids. All the presented results are discussed taking into account some experimental data and analytical solutions available in literature.

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Sommario In questo lavoro viene sviluppato un metodo per il calcolo della resistenza ondosa di corpi immersi bidimensionali e tridimensionali, tenendo conto della non linearità delle condizioni sulla superficie libera. La soluzione cercata è posta nella forma di potenziale di strato semplice e la non linearità presente nelle condizioni al contorno viene trattata con un procedimento iterativo. Vengono presentati dei risultati numerici relativi al caso bidimensionale di un cilindro ellittico ed al caso tridimensionale di sferoidi prolati di diversa eccentricità. I risultati vengono discussi in relazione a soluzioni analitiche e dati sperimentali ottenuti dalla letteratura.

     

On the suppression of the vorticity in an electrically conducting fluid by means of an applied magnetic field

Summary The aim of this work is to investigate the effects of the application of a transverse magnetic on a fluid capable to support electrical current. It has been supposed that the flow could be represented by the vorticity model of Stuart.It turns out that, when a suitable magnetic parameter exceeds a peculiar value, the vorticity tends to decay in the long run; at the same time the inflexions in the velocity profiles tend to disappear, becoming smoother and smoother. Consequently the majority of the velocity gradient inclines to be transferred to the wall.Finally this work analyzes the thin boundary layer originated near the wall because of the smoothing of the velocity profiles.

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Sommario Scopo di questo lavoro è lo studio degli effetti dell'applicazione di un campo magnetico trasversale su di una corrente di fluido conduttore di elettricità che segue nel suo moto il modello di vorticità di Stuart. Si trova che, per valori sufficientemente grandi di un opportuno parametro magnetico, la vorticità tende a spegnersi nel tempo e i flessi nei profili di velocità tendono a smorzarsi, comportando un progressivo appiattimento nella forma di questi, con conseguente trasferimento a parete della maggior parte del gradiente di velocità.Viene inoltre studiato lo strato limite viscoso di limitato spessore che si forma a parete come conseguenza dell'appiattimento dei profili di velocità.