* MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIPARTIMENTO PER L'UNIVERSITÀ, L'ALTA FORMAZIONE ARTISTICA, MUSICALE E COREUTICA E PER LA RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 287 del 23 febbraio 2005) PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B Anno 2005 - prot. 2005022072_002 * PARTE I 1.1 Programma di Ricerca afferente a 1. *Area Scientifico Disciplinare*/ / 02: Scienze fisiche 100% ------------------------------------------------------------------------ 1.2 Durata del Programma di Ricerca 24 Mesi ------------------------------------------------------------------------ 1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca *PARISI* *GIORGIO* *Giorgio.Parisi@roma1.infn.it* *FIS/02 - Fisica teorica, modelli e metodi matematici* *Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"* *Facoltà di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI * *Dipartimento di FISICA * ------------------------------------------------------------------------ 1.4 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca *BENZI* *ROBERTO* *Professore Ordinario* *09/03/1952* *BNZRRT52C09H501L* *FIS/02 - Fisica teorica, modelli e metodi matematici* *Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata"* *Facoltà di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI * *Dipartimento di FISICA * *+390672594231* (Prefisso e telefono) *+39062023507* (Numero fax) *benzi@roma2.infn.it* (Indirizzo posta elettronica) ------------------------------------------------------------------------ 1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca *Testo italiano* Curriculum Vitae di Roberto Benzi Roberto Benzi è nato a Roma il 9 marzo 1952 e si è laureato in Fisica nel luglio del 1975 con il massimo dei voti. Dopo aver svolto il servizio militare nel 1977, ha lavorato presso l'Istituto di Fisica dell'Atmosfera CNR di Roma, fino al 1981, e presso il centro di ricerche IBM di Roma, fino al 1987, dove, a partire dal 1984, ha coordinato il settore di fisica computazionale. Dal 1981 al 1984 è stato docente di meccanica razionale presso l'Università degli Studi dell'Aquila. Dal 1988 al 2000 è stato professore associato di fisica teorica presso l'Università di Roma "Tor Vergata". Dal 2000 è professore ordinario di fisica teorica presso la stessa universita'. Attività Scientifica Una cospicua parte delle attività di ricerca del Prof. Benzi è stata svolta, in qualità di visiting professor, in collaborazione con numerosi centri di ricerca internazionali, fra i quali: Courant Institute (New York), Yale University, European Center for Medium Range Weather Forecast (Reading UK), Laboratoire de Meteorologie Dynamique dell'Ecole Normale Superieure (Parigi), U.L.B. Bruxelles, Laboratoire de Physique Statistique dell'Ecole Normale Superieure di Lione, Princeton University, Weizmann Institute Tel-Aviv. I risultati ottenuti nell'attività di ricerca del prof. Benzi riguardano soprattutto i campi della meteorologia e climatologia, fisica computazionale, teoria della turbolenza e teoria dei sistemi dinamici e teoria dei processi stocastici. In questi settori, il prof. Benzi ha curato sia gli aspetti di ricerca di base che le fasi di applicazione sviluppando i necessari mezzi informatici, sia su calcolatori seriali che vettoriali, utilizzando strumenti per l'elaborazione delle immagini per la visualizzazione dinamica e interpretazione delle informazioni sperimentali e computazionali, e infine calcolatori paralleli a memoria condivisa e distribuita, sia della classe MIMD che SIMD. In particolare, nel calcolo parallelo, ha coordinato uno fra i primi gruppi di lavoro in Europa nello sviluppo e realizzazione di codici di calcolo numerico per elaboratori a memoria non condivisa di tipo MIMD. I principali risultati scientifici conseguiti sono: a) la scoperta di un nuovo meccanismo, detto di risonanza stocastica, originariamente proposto per fornire una nuova interpretazione delle anomalie climatologiche; tale meccanismo ha carattere generale e trova applicazione in moltissimi campi della fisica e della biologia; b) la realizzazione di strumenti di visualizzazione computerizzata per lo studio delle anomalie della circolazione generale dell'atmosfera; c) la formulazione di una nuova teoria delle anomalie delle onde planetarie e lo sviluppo dell'analisi osservativa che ne ha consentito la verifica sperimentale; d) la formulazione di una nuova teoria della turbolenza sviluppata basata sulla teoria dei campi multifrattali; d) la formulazione e applicazione di una nuova metodologia di analisi della predicibilità in sistemi complessi; e) la formulazione di un nuovo metodo di simulazione numerica delle equazioni di un fluido, noto come Lattice Boltzmann Equation (LBE), particolarmente adatto all'utilizzo dir calcolatori massivamente paralleli; il metodo LBE trova oggi ampia risonanza in letteratura con una notevole serie di applicazioni; f) la scoperta di una nuova formulazione delle leggi di autosimilarità anomale per i fludi turbolenti nota con il nome Extended Self Similariy (ESS); l'utilizzo della ESS ha consentito di estrarre con estrema precisione gli esponenti anomali della turbolenza utilizzando sia simulazioni numeriche a bassi numeri di Reynolds che dati di laboratorio; la ESS e' oggi considerato il metodo "standard" per valutare gli esponenti anomali ed è ampiamente utilizzata in letteratura; g) lo sviluppo della meccanica statistica dei campi multifrattali e la loro applicazione al caso della turbolenza sviluppata; h) lo sviluppo di una teoria sistematica del fenomeno della riduzione di drag nei flussi turbolenti con polimeri flessibili. E' referee scientifico di numerose riviste internazionali fra le quali: Journal of Physics; Physical Review; Physics of Fluids; Europhysics Letters; Physica A; Physica D; Journal of Atmospheric Science; Journal of Computational Physics; Journal of Fluid Dynamics; Journal of Statistical Physics. E' referee della Comunità Europea per i progetti di ricerca ed è stato membro del consiglio scientifico dell'Istituto di metodologie geofisiche CNR di Modena e dell'Istituto di Fisica dell'Atmosfera CNR di Roma. Dal 1988 al 1992 è stato membro del Comitato di Gestione del Centro di Calcolo parallelo CASPUR di Roma. E' stato membro dell'European Turbulence Commettee e socio corrispondente del'Euromech Commettee. Nel 1985 ha ricevuto l'IBM Award for Outstanding Technical Achievement per i suoi contributi nella teoria della turbolenza. E' autore di oltre 150 pubblicazioni su riviste internazionali. Attività Istituzionali Dal 1988 al 1992 è stato consulente del Ministero dell'Agricoltura e Foreste collaborando alla realizzazione della metodologia di analisi statistica per il sistema agrometeorologico nazionale, alla realizzazione della banca dati climatologica del Sistema informativo agricolo nazionale (SIAN), alla definizione, realizzazione e messa in esercizio del modello di bilancio idrologico superficiale, alla procedura di ottimizzazione della rete di rilevamento e, infine, ha coordinato il gruppo di lavoro per la realizzazione del modello operativo ad area limitata per il monitoraggio della stagione agraria. Dal 1993 al 1995 è stato consigliere scientifico presso il Dipartimento per i servizi tecnici nazionali della Presidenza del Consiglio dei Ministri, per il quale ha coordinato il gruppo di progettazione e realizzazione del Sistema informativo unico e il gruppo di analisi e realizzazione delle procedure dei sistemi informatici. In quest'ambito ha collaborato alla progettazione del sistema di rilevamento e previsione dello stato del mare, il polo di calcolo intensivo (primo progetto in Italia che abbia utilizzato strumenti avanzati calcolo ad alto contenuto di innovazione tecnologica nella Pubblica Amministrazione) e l'integrazione delle basi informative. Dal 1995 al 2003 e' stato membro dell'Autorita' per l'Informatica nella Pubblica Amministrazione (AIPA), sovraintendendo allo sviluppo tecnologico dei sistemi informativi e telematici della Pubblica Amministrazione dello Stato e sviluppando alcuni importanti progetti quali: la firma digitale, la carta di identita' elettronica, gli standard di riferimento per i sistemi informativi territoriali, lo sviluppo della Rete Unitaria della Pubblica Amministrazione. In qualità di Membro dell'AIPA, ha rappresentato l'Italia presso convegni nazionali e internazionali. Ha fatto parte della delegazione italiana alla conferenza internazionale di Ottawa sul commercio elettronico e nel 1997 è stato nominato, quale rappresentante del Governo Italiano, presso il comitato di standardizzazione della Comunità Europea. Ha rappresentato l'Italia nelle conferenze sulla sicurezza informatica del G7. Dal 2003 e' consigliere scientifico del Ministro per l'Innovazione e Tecnologie. In tale veste, ha coordinato i gruppi di lavoro sulla Carta Nazionale dei Servizi, sullo sviluppo delle applicazioni informatiche per il sistema pubblico di connettivita' e, infine, ha collaborato alla redazione del decreto legislativo "Codice dell'Amministrazione Digitale". *Testo inglese* Curriculum Vitae of Roberto Benzi 3-9-1952 born in Roma 7-21-1975 Degree in Physics, cum Laude, at the University of Roma. 1975-1976. Research assistant at the Department of Phyisics (Roma). 1977. Military Service. 1978-1981. Research fellowship at the IFA (Istituto di Fisica dell'Atmosfera), CNR Roma. 1979-1981. Several visiting period in USA, Yale Univerisity. 1981. Research staff member of the IBM Scientific Center of Roma. 1982. Project Leader on Atmospheric Science at the IBM Scientific Center. 1984. IBM International Award for outstanding scientific and technical achievement. 1985. Manager of the Computational Physics Group at the IBM European Research Center (ECSEC) in Roma. 1988-2000. Associated Professor of Theoretical Physics at the University of Roma "Tor Vergata". 2000-2005 Full professor of Theoretical Physics at the University of Roma "Tor Vergata". 1988-1992. Member of the Scientific and Technical Council of the Supercomputer Center NIC in Roma. 1992-1995. Several visiting period at the Laboratoire de Physique Statistique, ENS Lyon. 1993-1995. Consultant of the Presidenza del Consiglio dei Ministri for Meteorological National Services. 1995-2003. Member of the "Autorità per l'Informatica nella Pubblica Amministrazione" (AIPA) nominated by the Prime Minister to develop and redesign the information systems for all publics administrations in Italy. 2003-2005. Scientific advisor of the Minister for Information and Technology Member of the Scientific Council of the Institute of Atmospheric Physics CNR-Roma. Member of the European Turbulence Committee. Italian correspondent member of the Euromech. Member of the Scientific Council of the Institute of Geophysical Methodology, CNR, Modena. Member of the Senior Official Group for Information Technology Standardization (European Commission). Editor of the following books: -Turbulence and predictability in geophysical fluid dynamics and climate dynamics; Varenna Summer School 1983, Noth Holland, with M. Ghil and G. Parisi. -Anomalous Atmospheric Flows and Blocking; Roma 1984, Advances in Geophysics, vol 29, with B. Saltzmann and A. Wiin-Nielsen. -Turbulence in Spatially Extended System; Les Houches 1992, Nova Science Publisher, with C. Basdevant and S. Ciliberto. - Advances in Turbulence V Referee of the following Scientific Journals: Journal of Physics A:Gen. Mat., Physical Review, Physics of Fluids, Physics Letters, Physical Review Letters, Europhysics Letters, Physica A, Physica D, Journal of Atmospheric Science, Journal of Fluid Dynamics, Nuovo Cimento B, Nuovo Cimento D, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Annales Geophysicae, Fluid Dynamics Research, Journal of Computational Physics. Short Summary of the Scientific Interests and Results. I have been working in many different scientific field: Fully Developed Turbulence and Computational Fluid Dynamics, Stochastic Resonance and Dynamical System Theory, General Atmospheric Circulation. In the following, I present a short list of the main scientific achievements, namely: a) the discovery of a new general mechanism named "STOCHASTIC RESONANCE" which has been first applied in climate models in order to explain glacial-interglacial periods; STOCHASTIC RESONANCE is now a very active field of research and it is applied to a number of different problems in physics and biology; b) the application of computer based visualization techniques for the investigation of anomalous flows in the atmospheric general circulation; c) the introduction of a new theory for ultralong low frequency planetary waves aimed at explaning the observed anomalous flows in the atmosphere; the theory has provided a quantitative way to analyze the obaserved circulations in order to validate the basic mechanism of horographic instability; d) the formulation of the multifractal theory of turbulence and its quantitative predictions; d) the definition and the application of a new theory for analyzing fluctuations in predictability for complex systems; e) the introduction of a new computational tool for direct numerical simulations of turbulent flows named Lattice Boltzmann Equation (LBE); LBE is now widely used in many fields of computational fludi dynamics, including two phase flows and nanochannels; f) the discovery of EXTENDED SELF SIMILARITY (ESS) which is a new scaling properties of turbulent flows useful to extract anomalous scaling, even at rather low Reynolds number, with high precision; ESS is now widely used as a "standard" tool to analyze experimental and numerical data; g) the development of the statistical mechanincs of random multifracatal fields and its application to turbulence; h) the development of a systematic theory for drag reduction in turbulent flows with dilute polymers. ------------------------------------------------------------------------ 1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca 1. BENZI R., BIFERALE L, SBRAGAGLIA M (2004). A Gibbs-like measure for single-time, multi-scale energy transfer in stochastic signals and shell model of turbulence,. /JOURNAL OF STATISTICAL PHYSICS. / vol. 114 pp. 137 ISSN: 0022-4715 2. BENZI R., BIFERALE L, SBRAGAGLIA M, SUCCI S, TOSCHI F (2004). A lattice Boltzmann study of non-hydrodynamic effects in shell models of turbulence. /PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA. / vol. 197 pp. 303 ISSN: 0167-2789 3. BENZI R., CHING ESC, HORESH N, PROCACCIA I (2004). Theory of concentration dependence in drag reduction by polymers and of the maximum drag reduction asymptote,. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 92 pp. 078302 ISSN: 0031-9007 4. BENZI R., L'VOV VS, PROCACCIA I, TIBERKEVICH V (2004). Saturation of turbulent drag reduction in dilute polymer solutions. /EUROPHYSICS LETTERS. / vol. 68 pp. 825 ISSN: 0295-5075 5. BENZI R. (2003). Getting a grip on turbulence. /SCIENCE. / vol. 301 pp. 605 ISSN: 0036-8075 6. CASCIOLA CM, GUALTIERI P, BENZI R., PIVA R (2003). Scale-by-scale budget and similarity laws for shear turbulence,. /JOURNAL OF FLUID MECHANICS. / vol. 476 pp. 105 ISSN: 0022-1120 7. GUALTIERI P., CASCIOLA CM, BENZI R., AMATI G, PIVA R (2002). Scaling laws and intermittency in homogeneous shear flow. /PHYSICS OF FLUIDS. / vol. 14 pp. 583 ISSN: 1070-6631 8. TOSCHI F., G. AMATI, S. SUCCI, BENZI R., R. PIVA (1999). Intermittency of structure functions in channel flow turbulence,. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 82 pp. 5044 ISSN: 0031-9007 9. BENZI R., L. BIFERALE, F. TOSCHI (1998). Multiscale velocity correlations in turbulence,. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 80 pp. 3244 ISSN: 0031-9007 10. BENZI R., L. BIFERALE, A. WIRTH (1997). Analytical Calculation of anomalous scaling in random shell models of passive scalars,. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 78 pp. 4926 ISSN: 0031-9007 11. BENZI R., L. BIFERALE, E. TROVATORE (1997). Ultrametric structure of multiscale energy correlations in turbulent models,. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 79 pp. 1670 ISSN: 0031-9007 12. BENZI R., L. BIFERALE, E. TROVATORE (1996). Universal Statistics of Nonlinear Energy Transfer in Turbulent Models. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 77 pp. 114 ISSN: 0031-9007 13. BENZI R., L. BIFERALE, S. CILIBERTO, M.V. STRUGLIA, R. TRIPICCIONE (1996). Generalized Scaling in Fully Developed Turbulence. /PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA. / vol. 96 pp. 162 ISSN: 0167-2789 14. BENZI R., B. LEGRAS, G. PARISI, R. SCARDOVELLI (1995). Conformal Field Theory and Direct Numerical Simulation of Two Dimensional Turbulence,. /EUROPHYSICS LETTERS. / vol. 29 pp. 203 ISSN: 0295-5075 15. BENZI R., S. CILIBERTO, C. BAUDET, G. RUIZ CHAVARRIA (1995). On the scaling of three dimensional homogeneous turbulence. /PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA. / vol. 80 pp. 385 ISSN: 0167-2789 16. KADANOFF L., D. LOHSE, J. WANG, BENZI R. (1995). Scaling and dissipation in the Goy Shell model,. /PHYSICS OF FLUIDS. / vol. 7 pp. 617 ISSN: 1070-6631 17. BENZI R., R. TRIPICCIONE, F. MASSAIOLI, S. SUCCI (1994). Boltzmann's Legacy 150 years after his birth,. Atti dei Convegni Lincei. (pp. 131). 18. BENZI R., L. BIFERALE, A. CRISANTI, G.PALADIN, M. VERGASSOLA AND A. VULPIANI (1993). A Random process for the construction of multiaffine fields,. /PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA. / vol. 65 pp. 352 ISSN: 0167-2789 19. BENZI R., L. BIFERALE, G. PARISI (1993). On Intermittency in a Cascade Model for Turbulence. /PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA. / vol. 65 pp. 163 ISSN: 0167-2789 20. BENZI R., S. CILIBERTO, R. TRIPICCIONE, C. BAUDET, F. MASSAIOLI, S. SUCCI (1993). Extended Self Similarity in Turbulent Flows,. /PHYSICAL REVIEW E. / vol. 48 pp. r29 ISSN: 1063-651X 21. BENZI R., L. BIFERALE, G. PARISI (1992). Intermittency correction to the Obukhov Corrsin theory of passive scalar. /EUROPHYSICS LETTERS. / vol. 18 pp. 213 ISSN: 0295-5075 22. BENZI R., S. SUCCI AND M. VERGASSOLA (1992). The Lattice Boltzmann Equation: Theory and Applications. /PHYSICS REPORTS. / vol. 222 pp. 3 ISSN: 0370-1573 23. SUCCI S., P. SANTANGELO, BENZI R. (1988). High resolution lattice gas simulation of two dimensional turbulenc. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 60 pp. 2738 ISSN: 0031-9007 24. BENZI R., P. MALGUZZI, A. SPERANZA, A. SUTERA (1986). The statistical properties of general atmospheric circulation: obervational evidence and minimal theory of bimodality. /QUARTERLY JOURNAL OF THE ROYAL METEOROLOGICAL SOCIETY. / vol. 112 pp. 661 ISSN: 0035-9009 25. BENZI R., S. PATARNELLO, P. SANTANGELO (1986). On the statistical properties of two dimensional decaying tubulence. /EUROPHYSICS LETTERS. / vol. 3 pp. 811 ISSN: 0295-5075 26. BENZI R., G. PALADIN, G. PARISI, A. VULPIAN (1985). Characterization of intermittency in Chaotic System. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 18 pp. 2165 ISSN: 0305-4470 27. BENZI R., G. PALADIN, G. PARISI, A. VULPIANI (1984). On the multi fractal nature of fully developed turbulence and chaotic systems. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 17 pp. 3521 ISSN: 0305-4470 28. BENZI R., G. PARISI, A. SUTERA, A. VULPIANI (1983). On the theory of stochastic resonance in climate changes. /SIAM JOURNAL ON APPLIED MATHEMATICS. / vol. 43 pp. 565 ISSN: 0036-1399 29. BENZI R., A. VULPIANI, A. SUTERA (1981). The mechanism of stochastic resonance. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 14 pp. L453 ISSN: 0305-4470 30. BENZI R., G. MARTINELLI, G. PARISI (1978). High temperature expansion without a lattice. /NUCLEAR PHYSICS. B. / vol. b135 pp. 429 ISSN: 0550-3213 ------------------------------------------------------------------------ 1.7 Risorse umane impegnabili nel Programma dell'Unità di Ricerca 1.7.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca ** *Personale docente* nº Cognome Nome Dipartimento Qualifica Settore Disc. Mesi Uomo 1° anno 2° anno 1. BENZI Roberto Dip. FISICA Prof. Ordinario FIS/02 8 8 2. BIFERALE Luca Dip. FISICA Prof. Associato FIS/02 8 5 3. MARRA Rossana Dip. FISICA Prof. Ordinario MAT/07 11 11 * * *TOTALE * * * * * * * * * *27 * *24 * *Altro personale* nº Cognome Nome Dipartimento Qualifica Mesi Uomo 1° anno 2° anno 1. Gatto Renato Dip. FISICA PA (rientro cervelli) 11 11 * * *TOTALE * * * * * * * *11 * *11 * ------------------------------------------------------------------------ 1.7.2 Personale universitario di altre Università ** *Personale docente* Nessuno *Altro personale* Nessuno ------------------------------------------------------------------------ 1.7.3 Titolari di assegni di ricerca Nessuno ------------------------------------------------------------------------ 1.7.4 Titolari di borse Nessuno ------------------------------------------------------------------------ 1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma nº Qualifica Costo previsto Mesi Uomo Note 1° anno 2° anno 1. Assegnista 9.000 6 2. Assegnista 9.000 6 * * *TOTALE * *18.000 * *6 * *6 * * * ------------------------------------------------------------------------ 1.7.6 Personale extrauniversitario indipendente o dipendente da altri Enti nº Cognome Nome Nome dell'ente Qualifica Mesi Uomo 1° anno 2° anno 1. Toschi Federico CNR-IAC Ricercatore 8 5 2. Lanotte Alessandra CNR-ISAC Ricercatore 8 5 3. Bigazzi Alberto Tele Spazio Consulente 6 11 4. Sbragaglia Mauro University of Twente Post-Doc 3 6 5. Manzi Guido Indipendente Dottore di ricerca 8 8 6. Succi Sauro CNR-IAC Dirigente 5 5 * * *TOTALE * * * * * * * *38 * *40 * PARTE II 2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca *Testo italiano* Sistemi Complessi: Turbolenza, Segregazione di fase in fluidi e in microfluidi *Testo inglese* Complex Systems: Turbulence, phase segregation in fluids and in microfluids ------------------------------------------------------------------------ 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* TURBOLENZA EULERIANA E LAGRANGIANA ; TRASPORTO TURBOLENTO ; SEPARAZIONE DI FASE ; MOTO DI INTERFACCE ; EQUAZIONI DI BOLTZMANN ; MICROFLUIDI ; RIDUZIONE DEL DRAG ; PARTICELLE INERZIALI *Testo inglese* EULERIAN AND LAGRANGIAN TURBULENCE ; TURBULENT DIFFUSION ; PHASE SEGREGATION ; INTERFACE MOTION ; BOLTZMANN EQUATIONS ; MICROFLOWS ; DRAG REDUCTION ; INERTIAL PARTICLES ------------------------------------------------------------------------ 2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale *Testo italiano* Il gruppo di Tor Vergata ha una lunga esperienza nello studio di due argomenti della fisica dei sistemi complessi: turbolenza e transizioni di fase nei fluidi, che hanno in comune il tentativo di capire come comportamenti collettivi emergano in sistemi costituiti da un gran numero di gradi di liberta'. Il gruppo ha portato avanti dei progetti riguardanti: Turbolenza Euleriana e Lagrangiana. Trasporto turbolento di campi e particelle (sia attive che passive). Drag Reduction. Microfluidi. Segregazione di fase nei fluidi. Anche in collaborazione con ricercatori di diverse universita` e nazionalita`: Rutgers University, Atlanta University, Livermore Lab (USA); Weizmann Institute of Science (Israel); INLN-CNRS, ENS-Lyon (Francia); Universita' di Twente (Paesi Bassi); Universita' di Torino, Universita` dell'Aquila, dell'Universita' di Ferrara e dell'Universita' di Roma La Sapienza (Italia). Queste collaborazioni coinvolgono o hanno coinvolto sia gruppi teorici che sperimentali. Il gruppo di Tor Vergata ha una storia recente e passata di continua e proficua collaborazione con molti degli altri partecipanti a questo progetto. Ricordiamo ad esempio, che il coordinatore locale e il coordinatore Nazionale sono stati tra i pionieri e leader della ricerca in turbolenza sviluppata e processi stocastici negli ultimi 20 anni. La stessa definizione di "multifrattale" e' comparsa per la prima volta in letteratura grazie ad un lavoro del coordinatore nazionale per spiegare la presenza di leggi di scala anomale in turbolenza. Inoltre i due coordinatori sono stati anche tra gli autori che hanno proposto per la prima volta il concetto di risonanza stocastica. Piu' recentemenete, proficue collaborazioni si sono svolte tra le unita' di Roma La Sapienza e Roma Tor Vergata nel campo della modellazione della cascata di energia turbolenta tramite sistemi dinamici e tra le unita' di Roma Tor Vergata e l'unita' di Ferrara nel campo della simulazione numerica di fluidi turbolenti, di sistemi convettivi, di fluidi a due-fasi. Sia utilizzando dei metodi pseudospettrali che degli algoritmi basati sulle Equazioni di Boltzmann sul reticolo ottimizzati per sfruttare supercalcolatori dedicati della generazione delle macchine APE. I gruppi hanno sempre avuto un interscambio continuo di studenti di dottorato e post-doc. A. Turbolenza. Ci siamo interessati a problemi di Turbolenza Euleriana isotropa e anisotropa [Fri95,Sre97], di Turbolenza Lagrangiana [Mon75] e di problemi di trasporto di particelle passive (contaminanti scalari) e di sostanze attive, come polimeri o bolle (fluidi a due fasi) [M83,E93]. In questi ultimi due casi il problema e' di particolare interesse sia teorico che pratico a causa del fenomeno noto come "drag reduction"; cioe' della possibilita' di ridurre l'energia dissipata dal fluido con l'introduzione di solo alcune parti su milione di polimeri [Vir75]. I risultati piu' importanti sono stati i seguenti. A.1 Turbolenza isotropa e anisotropa. Abbiamo studiato le proprieta' di universalita' delle fluttuazione isotrope e anisotrope a piccola scala in differenti fluidi omogenei, come il Random Kolmogorov Flow e una cella convettiva di Raylaigh-Benard [B03b]. Abbiamo mostrato le prime evidenze che gli esponenti di scala delle componenti anisotrope sono universali. L'universalita' dei settori anisotropi e' stata studiata anche in flussi sperimentali al variare della scala di "shear" [K00,B04a]. Tutti questi risultati sono stati riassunti in un articolo di rassegna su "Turbolenza anisotropa e trasporto turbolento" [B04b]. Abbiamo altresi' mostrato come l'universalita' a piccola scala sia compromessa in presenza di effetti di forcing non analitici, con uno spettro di potenza che si estende fino alle scale dissipative [B04c,B04d]. Abbiamo proseguito l'attivita' di modellazione dinamica della cascata di energia turbolenta tramite lo studio dei "modelli a shell" (si veda l'articolo di rassegna [B03a].) Intendiamo ora proseguire concentrandoci principalmente sul problema della presenza di anisotropie in fluidi conduttori (Magnetoidrodinamica) come spiegato in dettaglio nella sezione 2.5 A.2 Turbolenza Lagrangiana. In collaborazione con il centro di supercalcolo del CINECA abbiamo effettuato una simulazione numerica di turbolenza omogenea e isotropa (vedi figura) con milioni di particelle passivamente trasportate dal fluido. La risoluzione di (1024^3) consiste nella piu' alta risoluzione mai ottenuta al mondo con lo scopo di studiare le proprieta' Lagrangiane del fluido turbolento. Questo data-base ci ha permesso di studiare le proprieta' statistiche ad una particella (accelerazione e funzioni di struttura lagrangiane) [B04e] a due particelle [B04f](diffusione di Richardson e statistica dei tempi di uscita) e a tre e quattro particelle (distribuzione delle ?shapes?). Inoltre, abbiamo mostrato come un modello multifrattale per la statistica Lagrangiana riproduca la statistica dell'accelerazione [B04g]. Da questa base di partenza intendiamo sviluppare un codice che ci permetta anche di studiare il caso di particelle inerziali [Bec03,M83,E93]. Si veda a riguardo la sezione 2.5 A.3 Drag reduction. E' ben noto che un fluido turbolento in un canale mostra una significativa riduzione di drag (DR) in presenza di una quantità anche modesta di polimeri flessibili [Lu69,Vir75,SW00]. Recentemente, la possibilità di studiare questo problema si è notevolmente arricchita grazie all'utilizzo di simulazioni numeriche basate sui modelli FENE-P. In questi modelli è possibile studiare come cambia la turbolenza al variare della concentrazione dei polimeri calcolando quantità difficilmente accessibili con misure di laboratorio. A tal riguardo abbiamo proposto una teoria [Be04a] su come il fenomeno della riduzione di drag dipenda dalla concentrazione e su come si comporta la DR per grandi concentrazioni (Maximum Drag Reduction (MDR) asymptote). Inoltre, una analisi di scala delle equazioni FENE-P ha mostrato [Be05b] come sia possibile spiegare, per la prima volta, il comportamento della DR e del limite MDR in funzione dei parametri rilevanti del problema, quali il tempo di rilassamento dei polimeri, la concentrazione e il numero di Reynolds. Questi risultati, in parte basati su alcuni lavori di Lumley [Lu69] e DeGennes [Ge90Ge], consentono di formulare un quadro complessivo per una teoria qualitativa e quantitativa del fenomeno. Partendo da queste conoscenze intendiamo estendere l?analisi al caso di polimeri rigidi e al caso di fluidi a due fasi, come descritto nella sezione 2.5 B. Microfluidica. Abbiamo recentemente intrapreso una attivita' nel campo dei microfluidi [Tab03]. Abbiamo sviluppato un approccio mesoscopico per descrivere l'interazione tra il fluido e la parete utilizzando le equazioni di Boltzamnn sul reticolo [Be92,W00]. Il fenomeno piu' importante e' connesso alla presenza di una velocita' non nulla del fluido alla parete dovuto all'interazione non banale tra le proprieta' fisico-chimiche di quest ultima e il fluido. Abbiamo riprodotto [Sbr04,Be05] molte delle proprieta' note sia tramite esperimenti che tramite simulazioni numeriche di Dinamica Molecolare, per quanto riguarda la lunghezza di slip, l'aumento di portata del canale e le proprieta' del profilo di velocita'. Abbiamo quindi dimostrato come un approccio basato sulle Equazioni di Boltzmann sia in grado di riprodurre quantitativamente molti dei fenomeni di superficie in microstrutture. Una naturale estensione di questo approccio, come descritto nella sezione 2.5, ci portera? ad investigare sia il caso di un fluido in presenza di segregazione di fase (formazione di gocce/bolle alla parete) sia il caso di due fluidi non miscibili. C. Segregazione di Fase e moto di interfacce. La dinamica della separazione di fase in fluidi a molte componenti, come ad esempio miscele di polimeri e miscele di cristalli liquidi, e` di considerevole interesse [La91,GSS83]. Abbiamo studiato gli effetti idrodinamici sulla segregazione di fase di miscele fluide largamente presenti in natura e utilizzate negli esperimenti. Abbiamo proposto equazioni cinetiche di Vlasov-Boltzmann per un fluido binario che prevedono la separazione di fase delle due specie [BL95]. Un algoritmo numerico basato su tali equazioni mostra il rilassamento del sistema verso un equilibrio non omogeneo caratterizzato dalla presenza di interfacce [BL95]. Tali stati di equilibrio sono stati studiati analiticamente come minimi del funzionale entropia, che e' un funzionale di Liapunov del sistema [CCELM03]. Il comportamento macroscopico del sistema e' descritto da equazioni idrodinamiche dissipative in cui e' presente l'effetto di una forza autoconsistente [BELM00]. L'equazione per il parametro d'ordine (concentrazione) e' accoppiata all'equazione per il campo di velocita' in modo diverso da quelli precedentemente proposti. Gli stati finali di rilassamento sono stati investigati teoricamente studiando il limite in cui l'interfaccia diventa sharp, in un opportuno scaling spazio-temporale e nel limite di zero numero di Mach [BELM02]. In tale limite il campo di velocita' evolve secondo l'equazione di Navier-Stokes incomprimibile e l'interfaccia si muove con velocita' legata dalla legge di Laplace alla curvatura e alla tensione superficiale. Simulazioni numeriche danno un ottimo accordo con questa previsione teorica [BELM02]. Questi risultati confermano lo scenario proposto da Siggia [S79], su cui e' basata la previsione di esponenti critici per la crescita di clusters di fasi omogenee. I risultati finora ottenuti danno un quadro abbastanza completo del comportamento macroscopico di un sistema microscopico di due specie di particelle interagenti attraverso forze repulsive a lunga portata tra specie diverse e interazione a corta distanza di hard-core, che e' soggetto a transizione di fase con coesistenza di due fasi. *Testo inglese* The team at Tor Vergata has a long experience in the study of two topics in the physics of complex systems: turbulence and phase transition in fluids, which share the effort of understanding how collective behaviors and large scale structures arise in systems of many degrees of freedom, by using common analytical and numerical methods. The team has been involved in research projects concerning: Eulerian and Lagrangian Turbulence. Turbulent transport of particles and fields (active/passive). Drag Reduction. Microflows. Phase segregation and interface motion. We have collaboration with researchers from different laboratories and Universities: Rutgers University, Georgia Tech university, Livermore Laboratory (USA); University of Twente (The Netherlands); Weizmann Institute of Science (Israel); INLN-CNRS, ENS-Lyon (France); Universita` de L'Aquila, Universita' di Ferrara, Universita' di Torino and Universita' di Roma, La Sapienza (Italy). These collaborations involved both theoretical and experimental groups. The group has a long and established tradition of fruitful collaborations with many of the other nodes of the project. For example, the local and national coordinators have pioneered the research on many fields of theoretical turbulence and stochastic processes world-wide in the last 20 years. The original definition of "multifractal" was proposed by the national coordinator to explain the presence of anomalous scaling in fully developed turbulence. Similarly both coordinators are among the authors of the first seminal work on stochastic resonance. More recently, the nodes of Tor Vergata and Ferrara had, and still have, very profitable collaborations on direct numerical simulations of turbulent flows, convective cells, two-phase flows (bubbly laden turbulence). These studies have been performed using both pseudo-spectral methods and Lattice Boltzmann Algorithms optimized for dedicated super-computers like those of the APE generation. The groups have always had many exchanges of PhD students and Post-docs. A. Turbulence. We have been interested to problems of Eulerian isotropic and anisotropic turbulence [Fri95,Sre97]; Lagrangian Turbulence [Mon75], Turbulent drag reduction [Vir75]; Dynamical models for the energy cascade [B03a,Boh98]. A.1 Isotropic and Anisotropic Turbulence. We have studied the universality of small scale fluctuations in highly anisotropic and homogeneous flows as for the case of Random Kolmogorov Flows and convective cells. We have provided the first evidences that also highly anisotropic sectors have universal scaling properties [B03b]. Universality of anisotropic flows have been studied also in experimental set up such as the case of a homogeneous shear flow and a turbulent boundary layer [B04a]. We have written a review on "Anisotropic Turbulence and turbulent transport" [B04b]. We have shown how universality of isotropic fluctuations may be lost in presence of power law forcing [B04c,B04d]. We have continued our investigation of dynamical models for the turbulent energy cascade (see the review article [B03a]) We intend now to proceed by studying the case of anisotropies in conducting flows (Magnetohydrodynamics) as described in section 2.5 A.2 Lagrangian Turbulence. In collaboration with the centre of supercomputing of CINECA we have performed a state-of-the-art direct numerical simulations of a homogeneous and isotropic flow (see figure) at resolution (1024^3) seeded with millions of passive tracers. This is the largest data base, world wide, of Lagrangian particle at this Reynolds numbers. We have studied single particle statistics, acceleration and Lagrangian structure functions, [B04e] two-particle statistics, Richardson diffusion and exit-time distributions [B04f], and three-four particle statistics through the shape distributions of triangles and tetraeds. We have also shown as a multifractal model is able to describe the acceleration pdf [B04g]. We plan to use the data-base of particles trajectories also to make a benchmark of the most used stochastic models for turbulent particle diffusion [S01]. From this expertize we intend to develop a code for inertial particles [Bec03,M83,E93]. This point is described in details in section 2.5 A.3 Drag reduction. The addition of long chained polymers to wall-bounded turbulent flows can result in a significant reduction in the drag (DR) [Lu69,Vir75,SW00,Ge90]. Recently, the possibility to achieve DR by direct numerical simulations opened a new way for addressing the problem. In particular, the use of FENE-P model enabled to investigate the role of polymer concentration and the onset of DR. Based on these models, a theory of concentration dependence have been proposed [Be04a] aimed at reproducing the asymptotic limit of DR at large concentration (Maximum Drag Reduction (MDR) asymptote). Also, a scale analysis of the FENE-P equation was proposed [Be05b] in order to explain, for the first time, how DR and MDR asymptote depend on the relevant parameters in the problems, namely the relaxation time of the polymer chain, the concentration and Reynolds number. The above results, capturing some of the most relevant physical insights proposed in [Lu69] and [Ge90], provide a systematic and quantitative framework for the phenomenon. We intend now to proceed by investigating the case of rigid polymers and the case of drag reduction in a two phase flow (bubbly laden flows) as described in section 2.5 B. Microflows. We have proposed a mesoscopic model based on Lattice Boltzmann Equations (LBE) [Be92,W00] of the fluid-wall interactions for flows in micro channel geometries [Tab03]. We have defined a suitable implementation of the boundary conditions for a discrete version of the Boltzmann equations describing a wall-bounded single phase fluid [Be05]. We have distinguished different slippage properties on the surface by introducing a slip function, defining the local degree of slip for mesoscopic molecules at the boundaries. The slip function plays the role of a renormalizing factor which incorporates, with some degree of arbitrariness, the microscopic effects on the mesoscopic description. We discuss the mesoscopic slip properties in terms of slip length, slip velocity, pressure drop reduction (drag reduction), and mass flow rate in microchannels as a function of the degree of slippage and of its spatial distribution and localization, the latter parameter mimicking the degree of roughness of the ultra-hydrophobic material in real experiments. We also discuss the increment of the slip length in the transition regime, i.e. at O(1) Knudsen numbers. We compared our results with Molecular Dynamics investigations of the dependency of the slip length on the mean channel pressure and local slip properties [Cot04] and with the experimental dependency of the pressure drop reduction on the percentage of hydrophobic material deposited on the surface [Ou04]. As a natural extension of these studied we intend now to investigate the problem of a microflows in presence of phase segregation (formation of bubbles/droplets at the wall) and the case of micromixers as described in details in section 2.5 C. Phase segregation and interface motion. The dynamics of ordering processes in the phase transitions is the subject of many theoretical and experimental investigations concerning fluid mixtures, metallic alloys and inorganic glasses [La91,GSS83]. Its study involves challenging problems of non-equilibrium statistical physics and nonlinear systems. In particular, the dynamics of phase separation in multicomponent fluids, such as polymer blends and liquid crystal mixtures is of considerable current interest. We have studied the hydrodynamic effects on the phase segregation of fluid mixtures because they are largely present in nature and more suited for experiments. We proposed a kinetic model for a binary fluid based on two coupled Vasov-Boltzmann equations for studying the phase segregation of the two species. Numerical simulations [BL95] using an algorithm based on the kinetic equations have shown that the system relaxes at low temperature toward a non homogeneous equilibrium characterized by the presence of interfaces. These equilibria have been classified by studying the minimizers of a macroscopic entropy functional [CCELM03], which is a Liapunov functional for this dynamics. The macroscopic behavior of the system is described by hydrodynamic dissipative equations with a self-consistent force. The coupling between the order parameter (concentration) and the velocity field is new and different from previous proposal. The late stages of the phase segregation process are usually studied by considering the limit in which the interface becomes sharp [BELM02]. This results are in agreement with the scenario proposed by Siggia [S79], which allowed to compute critical exponents for the growth of clusters of homogeneous phases. Numerical simulations [BELM02] based on our algorithm give a good agreement with this analytical analysis. In conclusion, these results give a satisfactory description of the macroscopic behavior of a system of two species of hard-spheres interacting by collisions and repulsive long-range potential, undergoing phase transition with coexistence of two phases and clarify on which scales the hydrodynamic effects become relevant. ------------------------------------------------------------------------ 2.4.a Riferimenti bibliografici [Be92] R. Benzi, S. Succi and M. Vergassola, The Lattice Boltzmann Equations, Theory and Applicaiton, Phys. Rep. 22, p. 145 (1992). [Be03a] R. Benzi and I. Procaccia. Simple model for drag reduction. Phys. Rev. E 68, 025303 (2003) [Be03b] R. Benzi, L. Biferale and F. 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[W00] D. Wolf-Gladrow. Lattice Gas cellular automata and Lattice BOltzmann models. (Spinger 2000). ------------------------------------------------------------------------ 2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca *Testo italiano* Il programma di ricerca intende estendere i risultati fino ad ora acquisiti nei campi della turbolenza sviluppata, del moto e formazione di interfacce e in alcune applicazioni numeriche di microfluidi. In particolare intendiamo indirizzare i nostri sforzi teorici e numerici sul problema del trasporto turbolento di particelle inerziali (A.1), sulla quantificazione dell'importanza delle fluttuazioni anisotrope in MHD (A.2); sulla riduzione del Drag in fluidi con polimeri rigidi e in fluidi a due fasi (A.3), sul moto e foramzione di interfacce in fluidi e microfluidi (B-C) e sulle proprieta' di mixing di microfluidi (B). Il compimento di queste ricerche richiedera' ovviamente una continua collaborazione anche con i nostri colleghi sperimentali. A tal riguardo facciamo notare come il gruppo di Tor Vergata ha da smepre importanti relazioni scientifiche con i gruppi sperimentali in Olanda (Prof. Lohse, University of Twente) in Francia (Prof. Ciliberto, Prof. Pinton ENS-Lyon, Prof. Tabeling ENS-Paris) e in Italia (ICTP, Prof. Sreenivasan) e presso il dipartimento di Ingegneria de La Sapienza (Prof. Piva). Intendiamo inoltre intensificare la continua ed importante collaborazione fattiva con i ricercatori delle altre unita' (principlamente Ferrara e Roma La Sapienza). Questo tipo di interazioni, ottenute nel passato anche grazie a giovani studenti di dottorato che hanno collaborato tra i vari gruppi, ci permetteranno di completare le conoscenze locali nel modo ottimale. A. Turbolenza A.1 Trasporto Turbolento di particelle inerziali. Intendiamo estendere lo studio numerico della turbolenza Lagrangiana considerando anche il caso di particelle trasportate di densita' differente dal flusso sottostante. Intendiamo effettuare una simulazione numerica state-of-the-art di milioni di particelle inerziali a numeri di Stokes differenti in un fluido turbolento con risoluzione fino a 1024^3. Si tratterebbe in questo caso, di produrre il piu' importante data-base in questo campo, dove gli esperimenti non riescono a misurare con altrettanta precisione le traiettorie delle particelle. In questo caso, effetti di inerzia tendono a far aumentare la concentrazione delle particelle piu' leggere al centro dei vortici e delle particelle piu' pesanti nelle regioni iperboliche. Vogliamo studiare sia le proprieta' di singola particella (distribuzione dell'accelerazione e delle velocita' lungo la traiettoria) sia le proprieta' statistiche a due e piu' particelle (incluso il problema di determinare le proprieta' frattali e multifrattali della densita' della particelle al variare del numero di Stokes) [Bec03]. Inoltre, anche il caso in cui le particelle hanno una reazione sul flusso e' di grande interesse sia teorico che pratico [M83,E93]. Ci proponiamo di studiare gli effetti di reazione di particelle piu' leggere (bolle) sulla dinamica a grande scala di flussi con un "mean flow" (Kolmogorov Flow). Abbiamo sviluppato un codice capace di seguire milioni di bolle in un fluido turbolento, incluso anche il loro feedback sul flusso. In un secondo momento ci proponiamo di studiare anche il caso della turbolenza di parete (flusso in un canale) e quindi di caratterizzare la statistica della concentrazione delle bolle in un sistema fortemente non-omogeneo. A.2 Magnetoidrodinamica (MHD). Intendiamo effettuare una serie di simulazioni numeriche di flussi turbolenti conduttori per studiare gli effetti anisotropi in presenza di un campo magnetico a grande scala [B03]. Questo e' un problema di grande interesse teorico e applicativo per flussi astrofisici. In particolare intendiamo effettuare una simulazione numerica delle equazioni di Navier-Stokes incomprimibili accoppiate ad un campo magnetico con una parte continua a grande scala. In questo sistema vogliamo anche studiare il trasporto passivo di particelle cariche soggette alla forza di Lorenz per determinare l'importanza delle anisotropie a piccola e grande scale nel determinare le proprieta' di diffusione parallele e transverse al campo medio imposto. Intendiamo anche analizzare dei dati di vento solare per quantificare le proprieta' anisotrope del campo magnetico. Per fare questo, intendiamo sfruttare delle tecniche di analisi dati basate sulla decomposizione delle funzioni di correlazione in una base del gruppo delle rotazioni SO(3) [B04b,K00]. Infine. ci proponiamo di studiare il problema della condensazione spettrale nella turbolenza MHD concentrandoci sul ruolo giocato dalla fisica delle onde sul trasferimento nonlineare dell'energia. Poiche' le onde lineari del sistema sono le onde di Alfven che si propagano lungo la direzione (diciamo z) del campo magnetico di grande scala, ci proponiamo di costruire un modello ridotto di turbolenza MHD che includa l'accoppiamento tra il vettore d'onda kz ed i termini nonlineari. La capacita' che tali termini hanno di trasferire energia a modi con piccolo vettore d'onda sara' poi analizzata. A.3 Drag Reduction. Obiettivo della proposta di ricerca e' quello di studiare una serie di aspetti quantitativi del fenomeno DR osservati in laboratorio. In primo luogo, si vuole dimostrare che il comportamento MDR verifichi un principio variazionale per le equazioni che descrivono la turbolenza in uno strato limite. Un analisi preliminare del problema dimostra che tale principio sia formulabile e che consenta di derivare il comportamento MDR con buon accordo rispetto ai dati sperimentali. Inoltre, si vuole generalizzare la teoria sviluppata sino ad ora per il caso dei polimeri rigidi dove e' noto sperimentalmente che, per concentrazioni abbastanza alte, si osserva DR con un comportamento asintotico simile a quello osservato per i polimeri flessibili. Inoltre, simili domande verranno studiate nel caso di fluidi turbolenti a due-fasi (turbolenza con bolle). Vogliamo effettuare delle simulazioni numeriche di un fluido turbolento con milioni di bolle disperse con e senza campo medio (si veda il punto sulle particelle inerziali). L'idea e' di capire come la presenza di anisotropie e non-omogeneita' modificano la concentrazione delle bolle e, di conseguenza, il fenomeno della drag-reduction in questi casi. B. Microfluidi. Volgiamo estendere l'approccio mesoscospico basato sulle Equazioni di Boltzmann sul Reticolo (LBE) [Be92,W00] sia al caso di fuidi in coesistenza di fase che al caso di due fluidi distinti [Cha92,Kwo04]. In questo modo intendiamo studiare in modo piu' dettagliato l'interazione tra il bulk del fluido e la superfice in flussi in microcanali. In particolare intendiamo quantificare la dipendenza dell'angolo di contatto di una bolla/goccia alla parete in funzione del potenziale intermolecolare e tra fluido/parete introdotto nella descrizione LBE (vedi figura per un esempio di simulazioni LBE con due fluidi al variare dell'interazione con la parete). Intendiamo inoltre studiare e ottimizzare le proprieta' di mixing di microcanali al variare della micro-corrugazione alla parete e/o al variare delle proprieta' idrofobiche/idrofiliche del materiale superficial e [Str02]. C. Segregazione di Fase e moto di interfacce. C.1 Trasporto di massa. Una modificazione del modello in cui l'interazione tra le particelle e' sostituita da un interazione con un reservoir a temperatura fissata fornisce un esempio di modello continuo di sistemi in cui gli effetti idrodinamici possono essere trascurati, come per le leghe. Significa studiare il fluido in una situazione in cui il campo di velocita` ha raggiunto il suo valore di equilibrio al contrario della densita`. C'e' una vasta letteratura su modelli di particelle sul reticolo proposti per studiare la decomposizione spinoidale e il moto di interfacce e sono disponibili molti risultati rigorosi. In tali sistemi l'unica legge di conservazione rilevante e' quella della massa e il parametro d'ordine (magnetizzazione) e' limitato. Il modello cinetico che proponiamo e' basato su equazioni di Vlasov-Fokker-Plank e il funzionale di Liapunov di tale sistema e' l'energia libera macroscopica che abbiamo gia' studiato [CCELM03]. Quindi sappiamo gia' che il sistema rilassa verso equilibri non omogenei e vogliamo studiare il rilassamento all'equilibrio su varie scale spazio-temporali. Nel nostro modello i parametri d'ordine sono due, concentrazione e densita' totale, e sono non limitati. Conti preliminari indicano nel limite di interfaccia sharp un comportamento simile a quello osservato nelle leghe cioe' che il moto del sistema sia descritto da un moto quasi-stazionario (di Stephan) o dal moto di Mullins-Sekerka, ma descritto da equazioni simili a quelle nel caso di miscele di polimeri. C.2 Tensione superficiale. Un problema molto studiato nel caso di modelli reticolari e non in presenza di coesistenza di fase e' la forma della regione che separa le due fasi all'equilibrio. Tale forma viene determinata studiando i minimi del funzionale di grandi deviazioni per il parametro d'ordine ed e' data dalla cosiddetta forma di Woolf. A livello mesoscopico, si definisce una tensione superficiale in termini dell'eccesso di energia libera (nel limite di interfaccia sharp) come un funzionale sulle curve il cui minimo determina la forma dell'interfaccia. E' interessante studiare l'analogo problema nel caso del modello cinetico che abbiamo considerato con lo scopo di ottenere la forma dell'interfaccia ma anche il profilo di densita' corrispondente nel limite di interfaccia sharp. Questo problema e' connesso a quello della nucleazione delle gocce di una fase nel mare della fase opposta e potrebbe dare indicazioni quantitative sulla dimensione minima della goccia per la nucleazione. *Testo inglese* The research program is meant to extend the results obtained up to now in the fields of fully developed turbulence, formation and motion of interfaces, and in some numerical application for micro-flows. In particular, we intend to address theoretically and numerically the problems of (A.1) turbulent transport of inertial particles; (A.2) Anisotropies in MHD flows; (A.3) Drag reduction in turbulent flows presence of rigid polymers and for two-phase flows; formation and motion of interfaces in fluids and in micro-flows (B-C); mixing properties of micro-flows (C). Any advances in these fields will also call for continuous and profitable interactions with our experimental colleagues. Regarding this point, we want to stress that the group of Tor Vergata has strong scientific interactions with the groups of Prof. Lohse (University of Twente, The Netherlands), of Prof. Ciliberto and Prof. Pinton (ENS-Lyon, France) of Prof. Tabeling (ENS-Paris, France) and withe the Italians groups of Prof. Sreenivasan (ICTP-Trieste) and Prof. Piva (La Sapienza). We also intend to intensify the collaborations with the other nodes of the project (mainly those of Ferrara and Roma, La Sapienza) also by the exchange of PhD students as already done in the past. These interactions will be the needed added value to complete the research project here proposed. A. Turbulence. A.1 Turbulence with inertial particles. We want to perform state-of-the-art Direct Numerical Simulations of high Reynolds Numbers flows by adding also "inertial particles", i.e. particles with densities different from the carrier flow. In particular, we are interested to two limiting cases. First, when particles are much heavier than the flow and with a typical size much smaller than the Kolmogorov length [M83]. In this case the driving force on the particles is given by the Stokes drag. Here the main issue we want to attack are connected to the single-particle problems (acceleration and velocity Lagrangian structure functions at changing Stokes Numbers) and two-particles problem connected to density fluctuations and clusterization problems (including the fractal and multifractal properties) [Bec03]. Second, we are interested to the other opposite limit of bubbles advected by the flow [E93]. Here the feedback of the bubbles on the flow is never negligible. We have developed a mixed Eulerian-Lagrangian code able to evolve the flow and the trajectories of millions of bubbles including their feedback on the carrier flow. We intend to perform a DNS of a Kolmogorov Flow with micro-bubbles in order to study their feedback on the mean-flow. The possibility to detect a drag-reduction effect will be investigated. In a second stage, we also want to address similar problems for wall-bounded flows (channel flow). A.2 Magnetohydrodynamics (MHD). We intend to perform a DNS of turbulent conducting flows (Magnetohydrodynamics) in order to study the anisotropic properties in presence of a large scale magnetic field [B03]. This is a very important question, both from the theoretical and applied point of view due to its application to astrophysical context. In particular we intend to perform a DNS of incompressible Navier-Stokes equations coupled with a magnetic field with a mean component. Within this context we intend to study also the advection of charged passive particles. This is aimed to determine the importance of anisotropy for diffusion in the directions parallel and transverse to the man magnetic field. We intend also to analyze the anisotropic properties of the magnetic field in the solar wind exploiting recent developed techniques based on SO(3) decompositions [B04b,K00]. Finally, we want to address the issue of spectral condensation in MHD turbulence by investigating the influence of wave physics on the nonlinear energy transfer. Since the relevant linear waves are Alfven waves propagating along the large scale magnetic field (say the z direction), we will look for a reduced MHD model which includes the coupling between kz and the nonlinear terms. The ability of the latter terms to induce low-k mode excitation will then be analyzed. A.3 Drag reduction. In the next future we want to address a number of quantitative questions which can be answered at the light of the theoretical results so far obtained. First of all, we want to characterize the MDR asymptote as a variational problem in turbulent boundary layers. Preliminary work shows that this idea can provide a theoretical upper bound to the MDR asymptote which compares rather well against experimental results. Also, we want to investigate DR for rigid polymers, where it is known experimentally that the DR does occur with the "same" MDR asymtote. Also, numerical simulations of two-phase flow will be performed with and without a mean flow and with and without boundaries (bubbly laden flows) (see the point on inertial particles). This is meant to establish the importance of anisotropies and non-homogeneities in the bubble concentration and on the drag reduction in these systems. B. Microflows. We intend to continue the investigation of flows in micro channel by using the Lattice Boltzmann Equations (LBE) [Be92,W00]. In particular we intend to extend the previous approach to the case of coexistence of gas and liquid phase and to the case of two-fluids mixtures. We want to address the issue of "wetting angle" formed by a droplet/bubble of liquid/gas with the solid surface [Cha92,Kwo04]. We intend to make an exhaustive mapping of the contact angle values as a function of the intermolecular potential and of the liquid-solid interactions (see figure for an example of a two-phase LBE simulation at changing the interaction with the wall). Furthermore, we want to address the problem of mixing in micro structure by using LBE approach to the case of rough walls and/or to the case of solid surface with strongly heterogeneous hydrophobic properties. We will also address the problem of mixing in micro structure, by using LBE approach. The idea is to optimize the structure of micro-corrugation at the surface and/or the hydrophobic distribution at the walls such as to induce a three-dimensional flow pattern with strong mixing properties (developing Lagrangian chaotic trajectories for the advected particles) [Str02]. C. Phase segregation and interface motion. C.1 Mass transport. A topic of interest that we plan to investigate is a modification of the kinetic model in which the interaction of short range between the particles is replaced by an interaction with a reservoir at fixed temperature, so that the hydrodynamic effects can be ignored as for the alloys. There is a large literature on models of particles on a lattice for studying the spinoidal decomposition and the motion by curvature and many rigorous results In these models only the transport of mass is relevant and the order parameter (magnetization) is limited. The kinetic model we are proposing is described by Vlasov-Fokker-Plank equations for the two order parameters, density and concentration (which are non limited) and the Liapunov functional is the macroscopic free-energy that we have already studied [CCELM03]. Hence we know that this system relax toward non homogeneous equilibria and we want to study the late stages of this process. Preliminary computations indicate in the sharp interface limit a behavior similar to the case of alloys: a quasi stationary motion (Stephan) or a Mullins-Sekerka motion, but similar to the equations for the interface motion of polymer blends. C.2 Surface tension. There is a large literature concerning the problem of the form of the interface separating two phases in lattice models undergoing a first order phase transition in the final stage of the evolution. The main object to be studied is a large deviation functional for the order parameter which gives a functional on the curves whose minimizer gives the shape of the interface, the so called Woolf shape. The same study can be done at the mesoscopic level, e.g. Ginsburg-Landau theory, by considering the excess free energy due to the presence of a droplet of one phase. For our kinetic model we can define the excess free energy in terms of the mesoscopic free energy functional on the densities profiles and study its minimizers under the constraint on the total masses in the sharp interface limit. This should give the shape of the interface as well. This problem is related to the nucleation theory [BK80] and our hope is to give in this way an estimate of the minimal dimension for the nucleation of a droplet of one phase. ------------------------------------------------------------------------ 2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta con valore patrimoniale superiore a 25.000 Euro *Testo italiano* Nessuna *Testo inglese* Nessuna 2.7 Descrizione delle Grandi attrezzature da acquisire (GA) *Testo italiano* Nessuna *Testo inglese* Nessuna ------------------------------------------------------------------------ 2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma *Testo italiano* Numero Mesi uomo 1° anno Mesi uomo 2° anno Totale mesi uomo *Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca* 4 38 35 73 *Personale universitario di altre Università* 0 0 0 0 *Titolari di assegni di ricerca* 0 *Titolari di borse* Dottorato 0 Post-dottorato 0 Scuola di Specializzazione 0 *Personale a contratto* Assegnisti 2 6 6 12 Borsisti 0 Dottorandi 0 Altre tipologie 0 *Personale extrauniversitario* 6 38 40 78 *TOTALE * * * *12 * *82 * *81 * *163 * *Testo inglese* Numero Mesi uomo 1° anno Mesi uomo 2° anno Totale mesi uomo *University Personnel* 4 38 35 73 *Other University Personnel* 0 0 0 0 *Work contract (research grants, free lance contracts)* 0 *PHD Fellows & PHD Students* PHD Students 0 Post-Doctoral Fellows 0 Specialization School 0 *Personnel to be hired* Work contract (research grants, free lance contracts) 2 6 6 12 PHD Fellows & PHD Students 0 PHD Students 0 Other tipologies 0 *No cost Non University Personnel* 6 38 40 78 *TOTALE * * * *12 * *82 * *81 * *163 * PARTE III 3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca *Testo italiano* Voce di spesa Spesa in Euro Descrizione Materiale inventariabile 21.000 PC (cluster Linux per analisi dati), stampanti, componenti hardware per aggiornamento PC. Libri Grandi Attrezzature Materiale di consumo e funzionamento 6.000 Cancelleria, manutenzione PC. Spese per calcolo ed elaborazione dati Personale a contratto 18.000 12 mesi di assegno di ricerca, borsa di studio Servizi esterni Missioni 40.000 partecipazione a conferenze, soggiorni di studio e di ricerca in Italia e all'estero. In particolare il Prof. Biferale intende passare circa 6 mesi a John Hopkins University nel quadro di una collaborazione su DNS di Turbolenza Sviluppata con il Prof. Meneveau Pubblicazioni Partecipazione / Organizzazione convegni 20.000 Tasse o iscrizioni a convegni. Organizzazione di un Workshop Internazionale su "Turbolenza Lagrangiana" Roma, Autunno 2005. Altro 30.000 contributo del 5% per la gestione del contratto. Inviti per seminari e collaborazioni scientifiche *TOTALE* *135.000 * * * *Testo inglese* Voce di spesa Spesa in Euro Descrizione Materiale inventariabile 21.000 PC (Linux cluster for data analysis), printers, hardware components. Books Grandi Attrezzature Materiale di consumo e funzionamento 6.000 Stationery, PC maintenance Spese per calcolo ed elaborazione dati Personale a contratto 18.000 12 months fellowship for the project Servizi esterni Missioni 40.000 Partecipation to conferences, short term and long term visits. In particular, Prof. Biferale intends to spend 6 months at John Hopkins University within a collaboration with Prof. Meneveau on DNS for turbulent flows Pubblicazioni Partecipazione / Organizzazione convegni 20.000 Conference fees. Organization of an international Workshop on "Lagrangian Turbulence" Rome, 2005. Altro 30.000 5% overheads. Visiting researchers for seminars and scientific collaborations *TOTALE* *135.000 * * * 3.2 Costo complessivo del Programma di Ricerca Descrizione Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca 135.000 Fondi disponibili (RD + RA) /comprensivi dell'8% max per spese di gestione/ 40.500 4000 euro: RSA (ex 60%) + INFM 1999-2004 (Prof. Marra); 14000 euro: European Science Foundation (Prof. Biferale); 4000 euro: Rientro dei Cervelli (Prof. Gatto); 6000 euro: Consorzio Interuniversitario CINFAI (Prof. Benzi); 11000 euro: Cofinanziamento aggiuntivo Universita' di Tor Vergata. 1500 euro: ONRG (Prof. Biferale) Cofinanziamento di altre amministrazioni *Cofinanziamento richiesto al MIUR* 94.500 3.3.1 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di Ateneo (RD e RA) SI /(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; D. Lgs, 196 del 30.6.2003 sulla "Tutela dei dati personali")/ Firma _____________________________________ Data 31/03/2005 ore 12:34