Diffusion of floating particles in open channel flow through emergent vegetation

In this thesis we study the problem of the dispersion of floating particles within emergent vegetation through experimental, numerical and theoretical analysis of the mechanisms that rule their temporary retention and the capture by plants. In Chapter 1 we present early results of laboratory experiments performed to investigate the transport and the diffusion of floating particles e.g., buoyant seeds) in open channel flow with emergent vegetation. The experiments are aimed at providing a better understanding of the relevant particle-vegetation interaction mechanisms responsible for the observed diffusion processes. Qualitative observational data are then used to set up a stochastic model for floating particle transport and diffusion. Quantitative observations, such as the distribution of distances travelled by a particle before it is permanently captured by a plant (resembled spartina maritima) and the arrival time distributions at prescribed cross sections along the vegetated test section, are instead used to calibrate and validate the model. The comparison between theoretical predictions and experimental results is quite satisfactory and suggests that the observed relevant aspects of the particle-vegetation interaction processes are properly described in the model. In Chapter 2 we present the results of a new laboratory investigation aimed at providing a better understanding of the transport and diffusion processes. The experiments are designed primarily to study the influence of vegetation density and flow velocity on the relevant interaction mechanisms between particles and vegetation. The aim is also to ascertain the validity of the stochastic model proposed in Chapter 1. We find that i) the proper definition of plant spacing is given as 1/npdp, dp being the plant diameter and np the number of plants per unit area; ii) the particle retention time distribution can be approximated by a weighted combination of two exponential distributions; iii) flow velocity has a significant influence on the retention time and on the efficiency of the different trapping mechanisms, iv) vegetation pattern and density have a minor or negligible influence on the capture probability and on the retention time. In the first part of Chapter 3 we study, in details, through a numerical model, the dynamics of capture due to surface tension (i.e. the Cheerios effect) of a cylindrical collector. The analysis shows that when capillary force is comparable to inertial forces the capture efficiency of the collector increases significantly with respect to the non-floating particle. In the second part of Chapter 3, instead, we propose, and verify through laboratory experiments, some improvements to the model described in Chapter 1. In this case the emergent vegetation is simulated with an array of cylinders, randomly arranged, with the mean gap between cylinders far greater than the particle size, so to prevent the trapping of particles between pairs of cylinders, referred to as net trapping in Chapter 1. A good agreement is found also when comparing the model prediction with experimental data available in the literature for real seeds and more complex plant morphology.

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