Attività scientifica:

L'attività scientifica svolta riguarda principalmente lo studio sperimentale di moti turbolenti in diversi ambiti applicativi, come quello dei flussi biologici, con particolare riguardo all'emodinamica, flussi convettivi, e flussi di interesse geofisico. Questi ultimi con particolare riguardo al trasporto e mescolamento di traccianti passivi. A questo scopo sono state utilizzate tecniche di misura della velocità già consolidate, come l'anemometria Laser-Doppler, e sono state sviluppate nuove tecniche di misura basate sull'analisi di immagine. Tali tecniche permettono di effettuare misure lagrangiane dei campi di moto. Questo tipo di misure è fondamentale sia nello studio della dispersione di traccianti passivi, sia nella valutazione delle sollecitazioni che subiscono le cellule sanguigne nei flussi intracardiaci.

Emodinamica

Ha intrapreso, in collaborazione con l'Istituto Superiore di Sanità, studi che hanno come obiettivo la comprensione del flusso sanguigno in corrispondenza delle valvole cardiache protesiche. Tale obiettivo è stato perseguito per mezzo di un modello di laboratorio e con la messa a punto delle relative tecniche di indagine che permettano la determinazione del campo di velocità e quindi delle strutture coerenti che si generano in conseguenza del flusso del sangue attraverso la valvola aortica.
In collaborazione con il Dipartimento di Idraulica Trasporti e Strade dell'Università "La Sapienza" di Roma, sta conducendo studi sul flusso all'interno del ventricolo sinistro del cuore umano. Le indagini sono condotte su di un modello di laboratorio progettato e costruito nell'ambito della ricerca. Tale ricerca è stata finanziata nell'ambito di un progetto FIRB (bando2001), dal titolo: "Meccanica dei Fluidi di interesse biomedico: flusso diastolico del ventricolo sinistro del cuore e sinergie metodologiche per l'analisi dell'umor vitreo nel bulbo oculare", nel quale egli è responsabile dell'Unità di Ricerca di Cagliari.
Ha collaborato con il Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica dell'Universtità "La Sapienza di Roma" al progetto dell'Unione Europea IST-2002 n°37548 - SMARTPIV, riguardante l'uso delle tecniche di misura della velocità basate sull'analisi di immagine (PIV) nei flussi di interesse biomedico.

Studio dello Strato Limite Atmosferico

Lo studio della convezione nello Strato Limite Atmosferico (SLA) è iniziato con la realizzazione di un modello di laboratorio. All'interno di una vasca riempita d'acqua sono state simulate le condizioni che si verificano nella tarda mattinata o nel primo pomeriggio di un giorno di sole, al di sopra di un terreno piano, negli strati inferiori dell'atmosfera. L'irraggiamento solare del suolo è stato simulato con il riscaldamento della superficie inferiore della vasca.
La validità del modello è stata verificata confrontando le statistiche della velocità e della temperatura con dati provenienti da campagne effettuate direttamente in atmosfera. La prima è stata misurata con l'anemometria Laser-Doppler mentre la seconda è stata misurata con termocoppie. Dalle misure di laboratorio è stato possibile inoltre determinare i profili verticali di quantità statistiche, come le le scale integrali euleriane che, per la mole di dati necessaria, non sono mai state calcolate prima nello Strato Limite Atmosferico.
In seguito il modello è stato utilizzato per lo studio della dispersione di inquinanti da una sorgente istantanea distribuita lungo una linea parallela al suolo. La misura del campo di concentrazione è stata effettuata mediante analisi di immagine: dalla sorgente è stato rilasciato, all'istante iniziale, un gran numero di particelle di piccolo diametro e sono state registrate, ad intervalli di tempo regolari, immagini del campo di studio. Su ogni immagine sono state poi individuate le posizioni delle particelle e, da queste, è stato possibile calcolare l'andamento temporale del campo di concentrazione. La tecnica basata sull'analisi di immagine offre il vantaggio, rispetto alle tradizionali tecniche di misura basate su sonde, di essere non intrusiva e di fornire, ad ogni istante, l'intera descrizione spaziale del campo di concentrazione. A partire da questi dati, per mezzo dell'ipotesi di Taylor, è stata determinata la concentrazione a valle di una sorgente puntiforme, che emetta inquinante con continuità, in presenza di vento medio.
Su questo argomento, ha inoltre collaborato alla Convenzione tra il Ministero dell'Ambiente, l'Istituto di Fisica dell'Atmosfera - CNR, il Dipartimento di Meccanica e Aeronautica dell'Università di Roma "La Sapienza", l'AMNU - Roma, ed il Centro Studi Ambiente dal titolo: "Predisposizione di un modello matematico di diffusione in atmosfera e ricaduta al suolo di inquinanti. Taratura mediante rilevazione di dati ambientali e delle emissioni connesse all'esercizio di impianti per la termodistruzione di rifiuti, con particolare riguardo al polo fumi di Ponte Malnome - Roma".
Le tecniche di misura classiche forniscono una descrizione euleriana del campo di velocità poiché sono basate sulla misura di quantità fisiche in un punto fisso dello spazio. Per questa ragione, anche se la dispersione degli inquinanti nei mezzi fluidi viene descritta in modo "naturale" in un sistema di riferimento lagrangiano, essa è stata storicamente studiata, e simulata numericamente, a partire dalle caratteristiche euleriane del campo di velocità. Nei casi in cui non è stato possibile prescindere dalle caratteristiche lagrangiane, sono state stabilite delle relazioni, tra le caratteristiche euleriane e quelle lagrangiane basate spesso su ipotesi molto restrittive, che non sono verificate nelle condizioni reali. Per questo motivo ha sviluppato una tecnica originale, basata sull'analisi di immagine, in grado di fornire misure del campo di velocità in un sistema di riferimento lagrangiano. Questa tecnica, che si inquadra tra quelle ad inseguimento di particelle (Particle Tracking Velocimetry), consiste nell'inseminare uniformemente il campo di studio con particelle di tracciante, riprendere serie di immagini di queste particelle ad intervalli di tempo regolari, ed infine ricostruire le traiettorie delle singole particelle. Una volta noti gli spostamenti delle particelle lungo le loro traiettorie è possibile calcolare le velocità.
Da queste misure è stato possibile calcolare, per la prima volta, l'andamento verticale delle autocorrelazioni lagrangiane nello Strato Limite Atmosferico e da questo le scale integrali lagrangiane. Dal confronto delle scale lagrangiane con quelle euleriane si è verificata sperimentalmente la approssimazione compiuta applicando le relazioni stabilite in letteratura ad un caso reale. Sono state inoltre calcolate altre quantità, come la matrice delle probabilità di transizione, utili alla comprensione dettagliata dei meccanismi attraverso i quali le strutture coerenti, presenti nello strato limite convettivo, contribuiscono alla dispersione degli inquinanti.

Stabilità di flussi convettivi confinati

Ha condotto uno studio della stabilità delle strutture che si generano all'interno di una vasca parallelepipeda, con pareti verticali adiabatiche e le superficie orizzontali isoterme, nella quale sia introdotta una sorgente di calore lineare. In questa configurazione sperimentale, la tecnica ad inseguimento di particelle, sviluppata per lo studio dello Strato Limite Atmosferico, consente di ottenere un dettaglio nella descrizione del campo fluidodinamico difficilmente raggiungibile altrimenti. Ne è risultata, infatti, una descrizione spaziale del campo di velocità con una frequenza ben superiore a quelle caratteristiche dei fenomeni in gioco che ha fornito una conoscenza contemporanea della variabilità spaziale e di quella temporale del campo di velocità.
Per l'interpretazione di una così vasta mole di dati è stata applicata la Proper Orthogonal Decomposition secondo la quale i campi di velocità istantanei sono stati proiettati su di una base ortogonale ottimale. Questa base è statisticamente ottimale nel senso che, in media, è la base con la quale è sufficiente il minor numero di elementi (o modi) per rappresentare una data porzione dell'energia presente nel campo fluidodinamico. Questa tecnica, che per la prima volta è stata applicata all'analisi temporale di un campo di velocità bidimensionale misurato sperimentalmente, consente di individuare le strutture coerenti cui è associata la maggiore quantità di energia, attraverso l'analisi dei modi, e quali frequenze siano associate a queste strutture, attraverso l'analisi dell'andamento temporale dei coefficienti modali.
Su questo tema è stato, dal 1999 al 2001, coordinatore dell'unità locale di ricerca nell'ambito del progetto MURST di rilevante interesse nazionale "Strutture coerenti di interesse nell'ambito della fluidodinamica ambientale".

Tecniche di misura della velocità

Allo studio dei fenomeni fluidodinamici si è affiancata una attività rivolta allo sviluppo di nuove tecniche di misura dei campi di velocità mediante analisi di immagine allo scopo di estendere l'applicabilità di questa metodologia ad una più ampia classe di campi fluidodinamici. In particolare sono state sviluppate, in collaborazione con altri ricercatori, tecniche di misura basate sull'illuminazione della zona di misura con lamine di luce laser di diversi colori (Pubblicazioni: ) e sono state applicate reti neurali per un più efficacie riconoscimento delle particelle nelle immagini acquisite. Inoltre ha collaborato al progetto europeo ESPRIT 7054 (PATRANS) "Development of Neural Algorithms Running on Parallel Machine for Image recognition" riguardante la misura di campi fluidodinamici per mezzo dell'analisi di immagine, utilizzando calcolatori multi-processore paralleli ed algoritmi neurali.

Scarichi a mare

Si è realizzato un modello sperimentale di uno scarico a mare di acque reflue di tipo civile. Il modello consiste in una vasca riempita di una soluzione di sale in acqua nella quale viene immesso, in prossimità del fondo, un getto di acqua in modo da simulare le condizioni effettivamente presenti sul campo. Per mezzo della tecnica di misura ad inseguimento di particelle descritta in precedenza si sta esaminando il campo di velocità in modo da studiare le interazioni tra fluido immesso e fluido ricettore (che ha densità maggiore). In particolare si stanno investigando la curvatura del getto, dovuta alla interazione tra spinta di galleggiamento e quantità di moto del fluido immesso, ed i meccanismi attraverso i quali avviene la dispersione del fluido immesso nel ricettore. Per questo ultimo aspetto, l'indagine è focalizzata sulle strutture coerenti che si generano all'interfaccia tra il getto ed il fluido a riposo, ed è condotta attraverso lo studio delle traiettorie delle particelle fluide che appartengono al getto. Infine, il grado di diluizione del fluido immesso è calcolato, a partire dagli stessi dati, per mezzo delle statistiche degli spostamenti delle suddette particelle.

Studio dei moti ondosi

Su questo tema sono state condotte diverse esperienze in laboratorio utilizzando un canale di vetro dotato di generatore di onde. E' stata innanzitutto messa a punto una tecnica di misura che consente la rilevazione dell'altezza del pelo libero per un tratto del canale, basata sull'analisi di immagine. La tecnica è stata poi utilizzata per studiare e confrontare diversi metodi per la decomposizione dello spettro di potenza del moto ondoso nella sua parte incidente e riflessa. Tale decomposizione costituisce la base per la comprensione delle trasformazioni che intercorrono quando un insieme di onde incontra un ostacolo sia naturale che artificiale (ad esempio opere di difesa del litorale). Le tecniche di misura della velocità ad inseguimento di particelle sono state poi applicate anche per determinare il campo di velocità intorno ad ostacoli sommersi allo scopo di valutare le interazioni tra trasformazioni energetiche delle onde e strutture coerenti presenti nel campo di moto.

Dispersione relativa

Le peculiarità della Particle Tracking Velocimetry sono state utilizzate per approfondire lo studio dei fenomeni di mescolamento e dispersione in flussi quasi bidimensionali. In particolare si è focalizzata l'attenzione sulle statistiche che descrivono la dispersione relativa. Tali statistiche, basate sull'analisi degli spostamenti relativi tra coppie di particelle, permettono di descrivere quantitativamente i processi di dispersione che avvengono alle diverse scale. Sono stati calcolati, a partire dalle traiettorie misurate sperimentalmente, i coefficienti Lyapunov a scala finita, che descrivono il contributo alla dispersione di traccianti passivi delle strutture di diversa scala.