MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI - SAUS
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIO NALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO

(DM n. 20 del 19 febbraio 2002)
PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B
Anno 2002 - prot. 2002027759_003


Parte: I
1.1 Programma di Ricerca di tipo: interuniversitario

Area Scientifico Disciplinare: Scienze Fisiche

1.2 Durata del Programma di Ricerca: 24 mesi

1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

PARISI GIORGIO  
(cognome) (nome)  
UniversitÓ degli Studi di ROMA "La Sapienza" FacoltÓ di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI
(universitÓ) (facoltÓ)
FIS/02 Dipartimento di FISICA
(settore scient.discipl.) (Dipartimento/Istituto)


Giorgio.Parisi@roma1.infn.it
(E-mail)


1.4 Responsabile Scientifico dell'UnitÓ di Ricerca

MARRA ROSSANA  
(cognome) (nome)  


Professore ordinario 08/11/1952 MRRRSN52S48F839B
(qualifica) (data di nascita) (codice di identificazione personale)

UniversitÓ degli Studi di ROMA "Tor Vergata" FacoltÓ di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI
(universitÓ) (facoltÓ)
MAT/07 Dipartimento di FISICA
(settore scient.discipl.) (Dipartimento/Istituto)


06/72594567 06/2023507 marra@roma2.infn.it
(prefisso e telefono) (numero fax) (E-mail)


1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'UnitÓ di Ricerca

Testo italiano

Attuale posizione:
Professore straordinario,
Dipartimento di Fisica, UniversitÓ di TorVergata
Posizioni precedenti:
Borsa di studio MPI (1977--1978)
Ricercatore di Fisica Teorica all'UniversitÓ di Salerno (1978--1983) e
all' UniversitÓ di Roma La Sapienza (1983--1985)
Professore associato di Meccanica Statistica all' UniversitÓ
di Roma Tor Vergata( 1985-2001)
Membro dell'editorial board di Journal of Statistical Physics
Membro del comitato organizzatore della conferenza in
Vulcano, 6-12 settembre 1998
"Macroscopic stochastic fluctuations: Equilibrium and non Equilibrium",
Membro del comitato organizzatore della conferenza in Siena maggio 2000,
"New Trends in Statistical Mechanics"
Membro di European Community network
"Asymptotic Methods in Kinetic Theory".
Cordinatore locale di cofin 1998 e 2000.
Professore visitatore a (ultimi anni)
1995: New York University, USA
1997: IHES, FR. Rutgers University, USA
1998: Rutgers University, USA
2000: IHES, FR
2001: Rutgers University, USA. IHP, Paris, FR
AttivitÓ di ricerca:
1977-1982: Teoria dei campi di gauge e meccanica Statistica dell'equilibrio
(spin systems).
1982-1986: Meccanica Stocastica e Meccanica Quantistica.
1987-1990: Fluidodinamica e processi stocastici.
Dal 1990: Meccanica Statistica del non equilibrio.
Limiti idrodinamici per sistemi di particelle interagenti. Limiti idrodinamici
per sistemi cinetici (equazione di Boltzmann). Equazione di
Navier-Stokes per automi cellulari stocastici e teorema fluttuazione-dissipazione.
In collaborazione con ricercatori di Rutgers University (USA),
New York University (USA), UniversitÓ di Roma 1 and Roma 2.
Ricerca attuale: Fenomeni di segregazione e moto di interfacce.
In collaborazione con J.L.Lebowitz (Rutgers University) e ricercatori di
Atlanta University, Universita de L'Aquila e Livermore Laboratory.

Testo inglese

Present position:
Full Professor, Dipartimento di
Fisica, UniversitÓ di Roma Tor Vergata
Previous positions:
fellowship of Ministero della Pubblica Istruzione (1977--1978)
researcher in Theoretical Physics at
University of Salerno (1978--1983) and
University of Roma La Sapienza (1983--1985)
Associate Professor of Statistical Mechanics, University of Roma Tor Vergata
( 1985-2001)
Member of the editorial board of Journal of Statistical Physics.
Member of the organizing commitee for the
Conference in Vulcano, 6-12 settembre 1998
"Macroscopic stochastic fluctuations: Equilibrium and non Equilibrium",
Member of the organizing commitee for the
Conference in Siena maggio 2000,
"New Trends in Statistical Mechanics"
Member of the European Community network
"Asymptotic Methods in Kinetic Theory".
Coordinator of the research project in TorVergata
grant: cofin 1998 and 2000.

Visiting professor at (recent years):
1995: New York Univ., USA
1997: IHES, FR. Rutgers Univ., USA
1998: Rutgers Univ., USA
2000: IHES, FR
2001: Rutgers Univ., USA. IHP, Paris, FR
Research activity:
1977-1982: Gauge Field Theories and Equilibrium Statistical Mechanics
(spin systems).
1982-1986: Stochastic Mechanics and Quantum Mechanics.
1987-1990: Fluidodynamics and Stochastic Processes.
Since 1990: Non equilibrium Statistical Mechanics.
Hydrodynamic limits for interacting particle systems. Hydrodynamic limits
for kinetic systems (Boltzmann equation). Navier-Stokes equation
for stocastic cellular automata and fluctuation-dissipation theorem.
In collaboration with researchers of the Rutgers Univ. (USA),
New York Univ. (USA), University of Rome 1 and Rome 2.
Present research: Segregation phenomena and interface motion.
Kinetic and hydrodynamic equations for binary fluids, which
are suitable to describe the dynamics of the phase separation.
In collaboration with J.L.Lebowitz(Rutgers Univ.) and
researchers of Atlanta Univ., L'Aquila Univ., Livermore Lab.

1.6 Pubblicazioni scientifiche pi¨ significative del Responsabile Scientifico dell'UnitÓ di Ricerca
  1. BASTEA S., ESPOSITO R., LEBOWITZ J. L., MARRA R. (2000). Binary Fluids with Long Range Segregating Interaction I: Derivation of Kinetic and Hydrodynamic Equation. JOURNAL OF STATISTICAL PHYSICS. vol. 101, pp. 1087--1136.
  2. ESPOSITO R., MARRA R. (2000). Hydrodynamics as scaling limit of kinetic systems and stochastic particle systems. TRENDS IN STATISTICAL PHYSICS. vol. 3, pp. 1--43.
  3. GIACOMIN G., LEBOWITZ J. L., MARRA R. (2000). Macroscopic Evolution of particle systems with short and long range interactions. NONLINEARITY. vol. 13, pp. 2143--2162.
  4. MARRA R., MOURRAGUI M. (2000). Phase segregation dynamics for the Blume-Capel model with Kac interaction. "STOCHASTIC PROCESSES AND APPLICATIONS". vol. 88, pp. 79--124.
  5. ESPOSITO R., MARRA R., YAU H.T. (1996). Navier-Stokes equations for stochastic particle systems on the lattice for stochastic particle systems on the lattice,. COMMUNICATIONS IN MATHEMATICAL PHYSICS. vol. 182, pp. 395--456.

1.7 Risorse umane impegnabili nel Programma dell'UnitÓ di Ricerca

1.7.1 Personale universitario dell'UniversitÓ sede dell'UnitÓ di Ricerca

Cognome Nome Dipart./Istituto Qualifica Settore
scient.
Mesi
uomo
2002 2003
Personale docente:
1  MARRA  ROSSANA  FISICA  Prof. ordinario  MAT/07  11
(ore: 1507)
 11
(ore: 1507)
2  BENZI  ROBERTO  FISICA  Prof. ordinario  FIS/02  11
(ore: 1507)
 11
(ore: 1507)
3  BIFERALE  LUCA  FISICA  Ricercatore  FIS/02  11
(ore: 1507)
 11
(ore: 1507)
Altro personale:

1.7.2 Personale universitario di altre UniversitÓ

Cognome Nome UniversitÓ Dipart./Istituto Qualifica Settore
scient.
Mesi
uomo
2002 2003
Personale docente:
Altro personale:

1.7.3 Titolari di assegni di ricerca

Cognome Nome Dipart./Istituto Anno del titolo Mesi
uomo
2002 2003
 

1.7.4 Titolari di borse per Dottorati di Ricerca e ex L. 398/89 art.4 (post-dottorato e specializzazione)

Cognome Nome Dipart./Istituto Anno del titolo Mesi uomo
1. MANZI  GUIDO  FISICA  2001  22 
(ore: 3025) 

1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica Costo previsto Mesi uomo
1. post doc  16000  11 
(ore: 1507) 
2. post doc  16000  11 
(ore: 1507) 

1.7.6 Personale extrauniversitario dipendente da altri Enti

Cognome Nome Dipart./Istituto Qualifica Mesi uomo
1. DAUMONT  ISABELLE  European Community  post doc  22 
(ore: 3025) 
2. JACOB  BORIS  INFM  assegnista di ricerca  22 
(ore: 3025) 
3. LA NOTTE  ALESSANDRA  CNR  Ricercatore  16 
(ore: 2200) 
4. TOSCHI  FEDERICO  CNR  ricercatore  16 
(ore: 2200) 


Parte: II
2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'UnitÓ di Ricerca

Testo italiano

Sistemi Complessi: turbolenza e segregazione di fase nei fluidi.

Testo inglese

Complex systems: turbulence and phase segregation in fluids.

2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca
  • FIS/02 - FISICA TEORICA, MODELLI E METODI MATEMATICI
  • FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA

2.3 Parole chiave

Testo italiano
MOTO DI INTERFACCIA ; LIMITE IDRODINAMICO ; TURBOLENZA NON ISOTROPA ; LARGE EDDY SIMULATIONS

Testo inglese
SHARP INTERFACE MOTION ; HYDRODYNAMIC LIMIT ; ANISOTROPIC TURBULENCE ; LARGE EDDY SIMULATIONS


2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Testo italiano

Il gruppo di sistemi complessi all'Universita' di Tor
Vergata porta avanti da vari anni una attivita' di ricerca
in teoria della turbolenza e dinamica di grande scala di sistemi di particelle
interagenti. Questi due soggetti sono strettamente collegati:
hanno a che fare entrambi con il formarsi di strutture su scale differenti
nei fluidi and hanno in comune molti metodi analitici e numerici.
Recentemente, la ricerca di R. Marra e' stata rivolta allo studio dei
fenomeni di segregazione di fase, in collaborazione con
ricercatori della Rutgers University (USA), Atlanta University
(USA), Livermore Lab (USA). Per quanto riguarda
la turbolenza sviluppata, il gruppo di Tor Vergata
ha recentemente dimostrato come sia necessario distinguere
gli effetti anisotropi e isotropi
per comprendere le leggi di scala della turbolenza. Queste ricerche
sono state svolte in collaborazione con ricercatori del Weizmann Institute
of Science (Israele) e della University of Twente (The Netherlands).
La base di partenza scientifica per i due campi di ricerca e' la seguente:
a) Fenomeni di segregazione e moto di interfacce.
Lo studio della segregazione di fase nei fluidi e' di grande interesse teorico
e rilevante per le applicazioni tecnologiche (ad esempio ricerca del petrolio o
separazione di miscele di DNA). Questo e' un problema molto
difficile: non e' ancora chiaro quale sia il corretto accoppiamento tra la equazione
di Cahn-Hilliard per il parametro d'ordine e l'equazione di Navier-Stokes
per il campo di velocitÓ. Abbiamo proposto in [BELM] delle equazioni
idrodinamiche per un fluido binario adatte a descrivere la separazione
dinamica delle due specie. Tali equazioni descrivono il comportamento
idrodinamico di un sistema microscopico di due specie di particelle
interagenti attraverso forze repulsive a lunga portata e di hard-core.
Abbiamo provato che i minimi del funzionale energia libera macroscopico
associato a tale sistema sono omogenei ad alta temperatura e non omogenei
a bassa temperatura, e descritto esplicitamente i profili che interpolano tra le
due fasi. Questo sistema microscopico Ŕ descritto su scala cinetica da due
equazioni di Vlasov- Boltzmann accoppiate che permettono di costruire
un algoritmo numerico per simulare il comportamento del sistema su scale
idrodinamiche. L'algoritmo usato Ŕ basato su una combinazione degli
algoritmi DSMC e "particle to grid weighting" ed Ŕ molto efficiente e
permette simulazioni con un numero di particelle di circa O(10^6).
Studi numerici preliminari basati su VBE confermano la formazione
delle interfacce e anche gli esponenti previsti da Siggia [S] per la crescita
dei clusters a prevalenza di una sola specie[BL].
b) Turbolenza non isotropa.
Problemi connessi alla turbolenza anisotropa e alla parametrizzazione
a piccola scala sono di grande interesse per gli ingegneri, geofisici e
astrofisici.
Per quello che riguarda la turbolenza anisotropa gli studi attuali sui flussi laminari
si concentrano in particolare su esperimenti su boundary layers o simulazioni
numeriche di flussi in un canale [SV],[BO]. Dal punto di vista teorico l'approccio
fenomenologico si basa principalmente sull'estensione dell'analisi di
Kolmogorov (1941) a situazioni di flusso di momento diverso da zero.
Tutti questi approcci si limitano a distinguere tra effetti isotropi e
non isotropi in termini di una semplice analisi dimensionale.
D'altro canto, le simulazioni numeriche sono limitate a piccoli
(relativamente) numeri di Reynolds: al piu' 200 [CCS]. Di conseguenza, in tutte le simulazioni
numeriche le proprietÓ di scala del range inerziale sono influenzate sia da effetti
di larga scala che viscosi. L'analisi dei dati Ŕ attualmente rivolta alle misure di
spettri di energia e co-spettri [BO]. Crediamo che il nostro approccio sia originale
poichÚ permette di distinguere chiaramente fra contributi isotropi e anisotropi.
Usiamo esplicitamente il fatto che le equazioni del moto delle funzioni di
correlazione spazio-temporali a molti punti sono una gerarchia infinita
di equazioni lineari per dedurre che la loro invarianza per rotazione comporta
che lo spazio delle soluzioni Ŕ diviso in settori dalle rappresentazioni irriducibili
del gruppo di simmetria SO(3) [ALP],[BT]. In ogni settore esistono esponenti di
scala universali e le quantita' misurate sono rappresentate come somma sulle
rappresentazioni irriducibili. Crediamo che questo approccio possa cambiare
il modo in cui sono analizzati i dati sperimentali e numerici.
Il gruppo all'Universita' di Tor Vergata ha svolto una ricerca di punta sugli aspetti
numerici e teorici della turbolenza. Ha accesso a vari computer paralleli massivi
(APE-QUADRICS , CRAY, SP3 e PC-clusters). E' stato tra i primo a sviluppare algoritmi basati
su teorie di Boltzmann reticolari per simulazioni numeriche di turbolenza bi e tri-
dimensionale [BSV] . E' uno dei gruppi leader nell'uso della decomposizione
in wavelet per l'analisi e la sintesi di segnali turbolenti .

Testo inglese

The research of the group in complex systems in Tor Vergata has been
devoted mainly to two different but related topics: theory of turbulence
and large scale dynamics of interacting particles. They are strictly
intertwined: both are concerned with the formation of smalla and large scale structures
in the fluid and share both analytical and numerical methods. Recently, R. Marra
has been involved in a project concerning segregation phenomena
in alloys and fluids in collaboration with researchers of Rutgers University (USA),
Atlanta University (USA), and Livermore Lab (USA). As for turbulence, recently
the group at Tor Vergata University, has shown the relevance of anisotropic
effects induced by either large scale non-ideal forcing or by the boundary
conditions in the scaling laws of turbulence. This research
have been done in collaboration with scientists from the Weizmann
Institute of Science (Israel) and from the University of
Twente (The Netherlands).
We discuss the two main research fields in more detail:
a) Segregation phenomena and interface motion.
It is of great theoretical interest and also relevant for technological application
like oil recovery, separation of DNA mixtures, etc to study phase segregation in fluids.
This is a very challenging problem: to start with, it is not yet clear what is the correct
coupling between the Cahn-Hilliard equation for the order parameter and the
Navier-Stokes equation for the fluid velocity. We have proposed [BELM] a set
of hydrodynamics equation for the motion of interfaces for binary fluids,
describing separation of phases, based on a microscopic model of
two species of particles interacting by hard core and long range potentials.
The use of a long range potential (Kac potential) in models of particles
on the lattice have been very successful in describing phase transition and
interface motion in alloys [GL].
First of all, we have studied the equilibrium properties of this model and
have proved that the minimizers of the macroscopic free-energy functional
for this model are homogeneous at high temperature and non-homogeneous
at low temperature and we have constructed the minimizers profiles interpo-
lating between the two phases, each of them reach in one species.
Then, we have shown that the behavior of this system on the kinetic scale
is described by two coupled Vlasov-Boltzmann equations which have been used
as basis for an algorithm for numerical simulations of the behavior of the
system on hydrodynamic scales.
This algorithm is based on a combination of DSMC and particle to grid
weighting algorithm. It is very efficient and allows to simulate systems with
about O(10^6) particles. Preliminary numerical studies [BL] based on these
equations confirm the formation of the interfaces and also the expected
exponents [S] for the growth of the clusters of separated phases.
b) Anisotropic turbulence and small scale parametrization.
A number of aspects of the problems of anisotropic turbulence,
and small scale turbulence parametrization have been addressed
before in the engineering, geophysical and astrophysical community.
The objective of this research effort is to focus on these more
applied problems with the methods developed in the context of
fundamental turbulence research.
As for anisotropic turbulence the current studies of sheared flows
mostly concentrate on experimental investigations on
boundary layers or numerical simulations of channel flows [SV],[BO].
From the theoretical point of view, mainly one or two-point closures
have been investigated in order to have a mean field control on
large scale quantities. The phenomenological approach is mainly
based on extending the Kolmogorov 1941 dimensional analysis to the situation
with a non-vanishing flux of momentum. All these approaches are flawed by their
inability to disentangle isotropic from anisotropic effects. On the other hand,
numerical investigations are limited to relatively small Reynolds numbers:
at most a Taylor-Reynolds number of about 200 can be achieved [CCS].
Therefore the inertial range scaling properties are affected by both large
scale and viscous effects. Data-analysis is currently mainly based
on energy spectra and co-spectra measurements [BO].
We believe that our approach is original in offering a clear disentanglement
of isotropic from anisotropic contributions. We use explicitly the fact
that the equations of motion of many-point space-time correlation functions
are an infinite hierarchy of linear equations to argue that their
invariance to all rotations means that the solution space is foliated
to sectors by the irreducible representations of the SO(3) symmetry group
[ALP],[BT].
In every sector there exists universal scaling exponents, and the measured
quantities are represented as sums over the irreducible representations.
We believe that this approach will change the way experiments and numerical
data are being analyzed.

The group at the University of Rome ``Tor Vergata'' has a leading
experience in numerical and theoretical aspects of turbulence. The group
has access to different massively parallel computers (APE-QUADRICS,
CRAY , SP3 and PC-farms architectures). In the past members of the group have performed
state-of-the art numerical simulations in three and two dimensional
turbulence. They have been pioneering numerical algorithms based on
Lattice-Boltzmann theory [BSV] .
They have also been among the leading groups in the use of wavelet
decomposition for the analysis and synthesis of turbulent signals [B1].
They have been pioneering the use of dynamical models
for energy transfer in turbulence and the use of stochastic
models for the synthesis of realistic turbulent fields [B2].
Recently, they have performed the first numerical decomposition in
the irreducible representations of the rotational group SO(3) of
anisotropic and non-homogeneous turbulence [BT], [BMP].

2.4.a Riferimenti bibliografici

[S] E.D. Siggia, Phys.Rev. A 20, 595 (1979).
[La] J. S. Langer, An introduction to the Kinetics of first-order phase transitions,
in Solids far from equilibrium C. Godreche ed., Cambridge Univ. (1991).
[BL] S. Bastea and J.L. Lebowitz Spinodal Decomposition in Binary Gases. Phys.
Rev. Lett. 75, 3776, (1995).
[GL] G.B. Giacomin, J.L. Lebowitz Exact Macroscopic Description of Phase Segregation in
Model Alloys with Long Range Interactions. Phys. Rev. Lett. 76, 1094, (1996).
[ELM] R. Esposito, J. L. Lebowitz and R .Marra
On the Derivation of Hydrodynamics from the Boltzmann equation
Phys. of Fluids, 11, 2354--2366 (1999)
[MM] R. Marra and M. Mourragui Phase segregation dynamics for the Blume-Capel
model with Kac interaction. "Stochastic Processes and Applications" 88(1), 79--124 (2000)
[BELM] S. Bastea, R. Esposito, J.L. Lebowitz and R. Marra Binary
Fluids with Long Range Segregating Interaction I: Derivation of Kinetic and
Hydrodynamic Equations. J. Stat. Phys. 101, 1087--1136 (2000)
[GLM] G.B. Giacomin, J.L. Lebowitz and R. Marra Macroscopic Evolution of Particle
Systems with Short and Long Range Interactions Nonlinearity 13, 2143--2162 (2000)
[SV] S.G. Saddoughi and S.V. Veeravalli, J. Fluid Mech. vol. 268, 333 (1994).
[BO] V. Borue and S.A. Orszag, J. Fluid. Mech. vol. 306, 293 (1996).
[CCS] N. Cao, S. Chen, and Z.S. She, Phys. Rev. Lett. vol. 76, 3711 (1996).
[ALP] I. Arad, V. L'vov and I. Procaccia, Phys. Rev. E vol. 81, 6753 (1999).
[MK] C. Meneveau, R. Katz, Ann. Rev. Fluid Mech. vol. 32, 1 (2000).
[BSV] The Lattice Boltzmann Equation: Theory and Applications, R. Benzi, S. Succi, and
M. Vergassola, Phys. Report vol. 222, 145 (199...
[BT] L. Biferale and F. Toschi;
Anisotropies in Homogeneous Turbulence: hierarchy of scaling exponents and
intermittency of the anisotropic sectors. Rev. Lett. vol 86 p 4831 (2001).
[BLMT] L. Biferale, D. Lohse, I. Mazzitelli and F. Toschi;
Probing structures in channel flow through SO(3) and SO(2)
decomposition J. Fluid Mech. vol. 452 p. 39 (2002).
[BBT] R. Benzi, L. Biferale and F. Toschi
Intermittency in linear Hydrodynamic Systems with Pressure: a connection
with Navier-Stokes equations Eur. Phys. J. B, vol. 24, p. 125 (2001).
[BCLVV] L. Biferale, M. Cencini, A. Lanotte, D. Vergni and A. Vulpiani
Inverse statistics of smooth signals: the case of two dimensional turbulence.
Phys. Rev. Lett. vol. 87 p. 124501 (2001).
[ABCPV] I. Arad, L. Biferale, A. Celani, I. Procaccia and M. Vergassola
Statistical conservation laws in turbulent transport
Phys. Rev. Lett. vol. 87 164502, (2001).

2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'UnitÓ di Ricerca

Testo italiano

a) Fenomeni di segregazione e moto di interfacce.
Siggia [S] ha osservato che nelle fasi finali del processo di segregazione
di fase in un fluido binario si sviluppano interfacce sharp
tra i domini delle due fasi e il processo di "coarsening" Ŕ essenzialmente
dovuto ai flussi idrodinamici guidati da queste interfacce elastiche. In
tale regime la dimensione dei domini dovrebbe crescere seguendo una
legge a potenza nel tempo con un esponente k. Tale esponente pu˛
essere determinato attarverso argomenti dimensionali basati
sull'equazione di Navier-Stokes, oppure attraverso argomenti di stabilitÓ
lineari basati di nuovo sull'equazione di Navier-Stokes [SC].
C'Ŕ un ampio dibattitto in letteratura, anche recentemente [SC],[F],
[SCS], sulla correttezza di tali esponenti
e sono state effettuate moltissime simulazioni numeriche con metodi
differenti che danno risposte contraddittorie. Pensiamo che l'algoritmo
che abbiamo elaborato basato sulle equazioni di Vlasov-Boltzmann sia
particolarmente indicato per dirimere la questione. Siamo interessati a
studiare l'effetto del campo di velocitÓ sull'interfaccia e dell'interfaccia
sul campo di velocitÓ. D'altro canto, pensiamo che sia importante una
analisi teorica per capire esattamente su che scale possa ritenersi valida
la descrizione di Siggia.
Crediamo di poter provare che il comportamento delle soluzioni delle
equazioni di Vlasov-Boltzmann su scale spazio-temporali idrodinamiche
in una situazione in cui l'interfaccia Ŕ sharp sia descritto dal
l'equazione di Navier-Stokes incomprimibile per il campo di velocitÓ,
con condizioni al contorno sull'interfaccia corrispondenti ad un salto di
pressione, e dall'equazione del trasporto (nel campo di velocitÓ) per
l'interfaccia. La nostra analisi permette di determinare la relazione tra
tutte le scale di lunghezza e temporali presenti nel problema. In [BELM]
Ŕ stato studiato il limite idrodinamico e sono state ottenute equazioni
idrodinamiche che descrivono situazioni in cui l'interfaccia non Ŕ sharp.
Ci proponiamo con questo progetto di indagare anche il limite di
interfaccia sharp e di fare simulazioni numeriche, che possano
comprovare la nostra analisi, studiando situazioni in cui l'interfaccia
giÓ formata viene perturbata ad opera del campo di velocitÓ.
In conclusione, gli scopi del presente progetto sono:
1) Analisi teorica basata su un opportuno limite di scala a partire dalle
equazioni di Vlasov-Boltzmann per un fluido binario.
2) Simulazioni numeriche basate sulle equazioni cinetiche in cui si fa
evolvere il sistema fino a che si formano i clusters e le interfacce e si
perturba poi una interfaccia con un flusso perpendicolare dipendente
dal tempo in modo da studiare la risposta dell'interfaccia.



b) Turbolenza anisotropa
Intendiamo fare degli esperimenti numerici, opportunamente selezionati,
mirati a misurare con grande accuratezza le fluttuazioni anisotrope. Le
proprieta' di universalita' di tali fluttuazioni saranno studiate cambiando
i parametri a larga scala e/o facendo esperimenti di decadimento.
Un'altro argomento, connesso fortemente al primo, che nasce nell'analisi
di simulazioni numeriche per problemi di idrodinamica applicata e' come
parametrizzare le fluttuazioni di piccola scala. Tale problema e' diventato
ancora piŔ rilevante visto la persistenza di componenti
anisotrope nelle fluttuazioni di piccola scala. Esso e' connesso al problema
di effettuare delle Large Eddy Simulations (LES) [MK] per potere si mulare
il comportamento dei fluidi turbolenti ad alti numeri di Reynolds.
Non si posseggono ancora degli algoritmi per Large Eddy Simulations in grado
di implementare sistematicamente sia gli effetti non-omogenei che anisotropi
in presenza di pareti e/o condizioni al contorno non banali ( boundary layer
atmosferici, flussi industriali, combustione in geometrie complesse).
Le simulazioni numeriche che ci proponiamo di far sono di tre tipi:
(1) Esperimenti numerici "ideali" anisotropi ma omogenei, dove la
decomposizione SO(3) puo' essere studiata nella forma piu' semplice
(senza effetti di non omogeneita'). Tali esperimenti possono essere
utili anche per individuare le migliori osservabili statistiche.
(2) Studi di fluttuazioni anisotrope e non omogenee in flussi reali bi e
tridimensionali ad esempio turbolenza convettiva e nei plasmi.
In entrambi i casi intendiamo anche confrontare i risultati numerici con i
dati sperimentali a disposizione.
(3) Ci proponiamo di studiare la parametrizzazione a piccola scala della
turbolenza reale (LES) con test a priori e a posteriori. Per apriori intendiamo
valutare l'efficienza della parametrizzazione a piccola scala in simulazioni
numeriche confrontando i risultati con la realta'. Tali test sono importanti
per selezionare i modelli piu' vicini alle fluttuazioni reali che si vogliono
riprodurre. Per aposteriori intendiamo test basati sulle Large-Eddy-
Simulations (LES), integrando equazioni del moto solo su larga scala,
usando il modello scelto per le fluttuazioni su piccola scala di energia
in un flusso laminare.
[BL] S. Bastea and J.L. Phys. Rev. Lett. 78, 3499, (1997).
[S] E.D. Siggia, Phys.Rev. A 20, 595 (1979).
[SC] F.J. Solis, M.O. de la Cruz, Phys. Rev.Lett. 84, 3350 (2000).
[F] H. Furukawa, Phys. Rev.Lett. 85,4407 (2000)
[F1] H. Furukawa, Phys. Rev.E 85,1423 (2000)
[SCS] F.J. Solis, M.O. de la Cruz and K.A. Smith Phys. Rev.Lett. 85, 4408 (2000).
[MK] C. Meneveau, R. Katz, Ann. Rev. Fluid Mech. vol. 32, 1 (2000).

Testo inglese

a) Segregation phenomena and interface motion.
As pointed out by Siggia [S], in the late stages of phase segregation
in binary fluid mixtures sharp interfaces develop between domains
of the two phases and the coarsening process is mainly due to
hydrodynamic flows driven by these elastic interfaces. It is generally
believed that the average domain size grows as a power law in time
with an exponent. This exponent is typically obtained through simple
dimensional analysis of the Navier- Stokes equation, or through physical
arguments based on a linear stability analysis [SC] of the interface
between the domains, also in the context of the Navier- Stokes equation.
There is a large literature on this subject and on the reliability of these
exponents, even recently [SC],[F],[SCS]. Many numerical simulations have
been performed with different methods giving contradictory answers.
We think that the algorithm [BL] based on the Vlasov-Boltzmann
equations could be very useful to give a definite answer. We are
interested to simulate situations in which the interface is perturbed
by a velocity field. On the other hand, we think that numerical results
have to be supported by theoretical analysis to understand on which
space-time scales the analysis by Siggia does not break down.
We think we could prove that the behavior of the solutions of the
Vlasov-Boltzmann equations on hydrodynamical space-time scales
and in the limit of sharp interface is described by the incompressible
Navier-Stokes equation for the velocity field, with boundary conditions
on the interface corresponding to a pressure jump, and by the
transport equation (in the velocity field) for the interface. In this limit
the temperature will be constant. Our analysis allows to determine the
relations between all the scales of the problem. In [BELM] we have
proved that the hydrodynamic limit is described by hydrodynamical
equations describing situations in which the interface is not sharp.
We want to study now also the limit of sharp interface and to perform
numerical simulations for confirming ordisproving our guess. In
particular, we want to explore situations in which the interface
already formed is perturbed by a velocity field.
In conclusion, the objectives of this project are:
a) Theoretical analysis of a suitable scaling limit( hydrodynamic+
sharp interface) for the Vlasov-Boltzmann equations.
b) Numerical simulations by using the algorithm [BL] for the time
evolution of simple hydrodynamical flows with and without the
interface.

b) Anisotropic turbulence
Our main object ive will be to concentrate on a set of
well chosen numerical experiments where anisotropic fluctuation
can be measured with high accuracy. The issue of universality of such
fluctuation will also be addressed by changing the large-scale set-up
and/or by performing decaying experiments.
Another natural question, strongly connected to the previous ones,
arising in numerical investigation of applied hydrodynamical problems
is how to parametrize small scales fluctuations. The clear failure of return
to "isotropy and homogeneity" of small scale turbulence yields to this
problem an even more prominent role. The problem of parametrizing
small scale fluctuation in numerical simulation is connected to the
problem of performing Large Eddy Simulations (LES) [MK], which
are unavoidable in all numerical studies of geophysical, industrial and
astrophysical problems due to the high Reynolds number describing
those flows. Large Eddy Simulations still lack a systematic theoretical
understanding, especially concerning problems where anisotropies
and non-homogeneities are dominant (atmospheric boundary layer,
industrial flows, combustion in complex geometries).
The kind of numerical simulation we have in mind may be divided
in three different classes
(1) A set of "ideal" anisotropic but homogeneous numerical
experiments, where the theoretical tools of SO(3) foliation may
be studied in their simplest form (no contamination from non-
homogeneities). This experiments will be useful also to define the
best suited statistical observable one needs to focus with in the
successive applied exploration.
(2) The studies of anisotropic and non-homogeneous fluctuations
in real three-dimensional and two-dimensional flows as in
convective turbulence and plasma turbulence. In both cases
we also intend to exploit real experimental data taken both
in laboratories and in the field.
(3) We intend to address the small-scale parametrization of real
turbulence (LES) by both apriori and aposteriori tests. For apriori
test we intend to compare in real direct numerical simulations the
performance of some small-scale parametrization with the reality.
Suchapriori tests are usually needed in order to select among the
vast collection of possible models only those who have a good
statistical overlap with the real fluctuations one wants to reproduce.
Aposteriori tests are, viceversa, based on the fields obtained by a
Large-Eddy-Simulations (LES), i.e. by integrating the equation
of motion only at large scale, using the adopted model for the energy
small scales fluctuations in shear flows.

[BL] S. Bastea and J.L. Phys. Rev. Lett. 78, 3499, (1997).
[S] E.D. Siggia, Phys.Rev. A 20, 595 (1979).
[SC] F.J. Solis, M.O. de la Cruz, Phys. Rev.Lett. 84, 3350 (2000).
[F] H. Furukawa, Phys. Rev.Lett. 85,4407 (2000)
[F1] H. Furukawa, Phys. Rev.E 85,1423 (2000)
[SCS] F.J. Solis, M.O. de la Cruz and K.A. Smith Phys. Rev.Lett. 85, 4408 (2000).
[MK] C. Meneveau, R. Katz, Ann. Rev. Fluid Mech. vol. 32, 1 (2000).

2.6 Descrizione delle attrezzature giÓ disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta

Anno di acquisizione Descrizione
Testo italiano Testo inglese
1.     
2.     
3.     
4.     
5.     


2.7 Descrizione della richiesta di Grandi attrezzature (GA)

Attrezzatura I
Descrizione

valore presunto ( Euro)   percentuale di utilizzo per il programma

Attrezzatura II
Descrizione

valore presunto ( Euro)   percentuale di utilizzo per il programma


2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma

  numero mesi uomo
Personale universitario dell'UniversitÓ sede dell'UnitÓ di Ricerca (docenti) 3 66
(ore: 9075)
Personale universitario dell'UniversitÓ sede dell'UnitÓ di Ricerca (altri) 0 0
Personale universitario di altre UniversitÓ (docenti) 0 0
Personale universitario di altre UniversitÓ (altri) 0 0
Titolari di assegni di ricerca 0 0
Titolari di borse dottorato e post-dottorato 1 22
(ore: 3025)
Personale a contratto 2 22
(ore: 3025)
Personale extrauniversitario 4 76
(ore: 10450)
Totale 10 186
(ore: 25575) 


Parte: III
3.1 Costo complessivo del Programma dell'UnitÓ di Ricerca

Voce di spesa Spesa, Euro Descrizione
Testo italiano   Testo inglese  
Materiale inventariabile 9.000  Desktop computers, software, espansioni di memoria, libri, stampanti  Desktop computers, printers, software, memory expansions, books 
Grandi Attrezzature      
Materiale di consumo e funzionamento 2.000  manutenzione PC e stampanti, cancelleria  PC and printers maintenance, stationery 
Spese per calcolo ed elaborazione dati      
Personale a contratto 32.000  2 assegni di ricerca annuali  Scientific collaboration to the project. 
Servizi esterni      
Missioni 20.000  stages for scientific collaborations. Attending national and international congresses 
Pubblicazioni      
Partecipazione / Organizzazione convegni 4.000  Congress fees. Contribution for organizing meetings. 
Altro 13.000  5% contributo spese di Dipartimento. Inviti per seminari e collaborazioni scientifiche  5% contribution for Physics Departement. Stages of guests for scientific collaborations and seminars 


Il progetto e' gia' stato cofinanziato da altre amministrazioni pubbliche o private (art. 4 bando 2002)? NO
Amministrazioni cofinanziatrici:

  Euro
Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca 80.000 
 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati 65.000 
 
Fondi disponibili (RD) 16.300 
 
Fondi acquisibili (RA) 7.700 
 
Cofinanziamento di altre amministrazioni
pubbliche o private (art. 4 bando 2002)
0 
 
Cofinanziamento richiesto al MIUR 56.000 
 


Parte: IV
4.1 Risorse finanziarie giÓ disponibili all'atto della domanda e utilizzabili a sostegno del Programma

QUADRO RD

Provenienza Anno Importo disponibile, Euro Note
UniversitÓ 2002   5.300  Ricerca Scientifica d'Ateneo assegnati nel 95-98-99-00 a Marra,Benzi,Biferale 
Dipartimento      
CNR      
Unione Europea      
Altro 2002   11.000  INFM 
TOTAL   16.300   

4.1.1 Altro

11000 Fondi Biferale INFM, anni 2001-2002

4.2 Risorse finanziarie acquisibili in data successiva a quella della domanda e utilizzabili a sostegno del programma nell'ambito della durata prevista

QUADRO RA

Provenienza Anno della domanda o stipula del contratto Stato di approvazione Quota disponibile per il programma, Euro Note
UniversitÓ 2002   disponibile in caso di accettazione della domanda  7.700   
Dipartimento        
CNR        
Unione Europea        
Altro        
TOTAL     7.700   

4.2.1 Altro


4.3 Certifico la dichiarata disponibilitÓ e l'utilizzabilitÓ dei fondi di cui ai punti 4.1 e 4.2:      SI     

Firma ____________________________________________




(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati; legge del 31.12.96 n░ 675 sulla "Tutela dei dati personali")




Firma ____________________________________________ 18/04/2002 18:32:57