Diffusion of floating particles in open channel flow through emergent vegetation

In questa tesi è stato studiato il problema della dispersione di particelle galleggianti in presenza di vegetazione emergente per mezzo di analisi sperimentali, numeriche e teoriche dei meccanismi che ne governano la ritenzione temporanea e la cattura da parte delle piante. Nel Capitolo 1 sono presentati i risultati delle prove di laboratorio effettuate per indagare il trasporto e la diffusione di particelle galleggiati (ad esempio alcune varietà di semi) in un canale con vegetazione emergente. Questi esperimenti sono stati svolti per fornire una comprensione più ampia dei principali processi di interazione particella-pianta responsabili del processo diffussivo osservato. Queste osservazioni qualitative sono state successivamente utilizzate per mettere a punto un modello stocastico per il trasporto e la diffusione di particelle galleggianti. Ulteriori dati raccolti sperimentalmente, quali la distribuzione delle distanze percorse dalle particelle prima di essere catturate permanentemente dalle piante e la distribuzione dei tempi di arrivo in alcune specifiche sezioni del tratto vegetato utilizzato nelle prove sperimentali, sono invece stati utilizzati per la calibrazione e la validazione del modello. Il confronto tra i risultati forniti dal modello e quelli sperimentali è soddisfacente e suggerisce che gli aspetti più rilevanti osservati nei processi di interazione particella-vegetazione sono opportunamente descritti dal modello. Nel Capitolo 2 sono presentati i risultati di nuove prove sperimentali effettuate per approfondire la conoscenza dei processi di trasporto e di diffusione. In questo caso le prove sono state realizzate per valutare l’influenza della densità della vegetazione e della velocità della corrente sui meccanismi di interazione precedentemente individuati. I risultati, infine, sono stati utilizzati per confermare la validità del modello proposto nel Capitolo 1. E' stato trovato che i) la definizione più corretta di interasse tra le piante è 1/npdp, dp, essendo dp il diametro della pianta e np il numero di piante per unità d’area, ii) la distribuzione dei tempi di ritenzione delle particelle può essere approssimato da una combinazione di due distribuzioni esponenziali opportunamente pesate, iii) la velocità della corrente ha un forte impatto sui tempi di ritenzione e sull'efficacia dei differenti meccanismi di cattura, mentre iv) la distribuzione e la densità della vegetazione gioca un ruolo di minor rilievo, se non addirittura trascurabile, sulla probabilità di cattura e sui tempi di ritenzione. Nella prima parte del Capitolo 3 è studiata nel dettaglio la dinamica di cattura di un collettore cilindrico dovuta alla tensione superficiale (cioè l’effetto Cheerios). Lo studio mostra che, quando la forza capillare è comparabile alle forze inerziali, l’efficienza di cattura del collettore aumenta significativamente rispetto al caso in cui le particelle siano non galleggianti. Nella seconda parte del Capitolo 3, invece, sono proposte e verificate attraverso prove di laboratorio, alcune migliorie al modello introdotto nel Capitolo 1. In questo caso la vegetazione emergente è simulata da una schiera di cilindri, disposti casualmente, e distanziati tra loro in modo tale che le particelle non possano essere soggette alla cattura dovuta ad una coppia di cilindri e definita net trapping nel corso del Capitolo 1. Una buona corrispondenza è stata trovata anche quando i risultati forniti dal modello sono stati confrontati con alcuni dati sperimentali reperiti in letteratura relativi a semi reali ed a piante aventi una morfologia più complessa.