Analisi multiscala della convezione turbolenta con cambiamento di fase

Climate change represents one of the major challenges of our time and is altering the equilibrium of the Earth system. Improving our ability to predict its evolution requires a thorough understanding of the physical processes governing the exchange of energy, heat, and moisture within the atmosphere. Among these processes, moist convection plays a fundamental role in vertical transport and in the organization of cloud structures. This work investigates the multiscale mechanisms characterizing turbulent convection with phase change, using data obtained from direct numerical simulations. Phase change is represented through a simplified two-scalar thermodynamic model and a local saturation criterion. The aim is to understand how scalar variance is produced, transferred across different scales, transported through physical space, and ultimately dissipated. The results reveal a pronounced vertical asymmetry associated with the organization of the convective structures and with the intensification of dissipative processes near the upper wall. Conditional analysis also highlights significant differences between saturated and unsaturated regions in the distribution of scalar variance and in the mechanisms responsible for its transport across positions and scales, revealing more intense dynamics within saturated structures. Finally, the scalar variance associated with moist regions is transported predominantly in the vertical direction toward the upper wall, consistently with the rising-plume dynamics characteristic of Rayleigh–Bénard convection.

Il cambiamento climatico rappresenta una delle principali sfide contemporanee e sta modificando gli equilibri del sistema terrestre. Migliorare la capacità di prevederne l’evoluzione richiede una conoscenza approfondita dei processi fisici che regolano gli scambi di energia, calore e umidità nell’atmosfera. Tra questi, la convezione umida svolge un ruolo fondamentale nel trasporto verticale e nell’organizzazione delle strutture nuvolose. Il presente lavoro analizza i meccanismi multiscala che caratterizzano la convezione turbolenta con cambiamento di fase, utilizzando dati ottenuti mediante simulazione numerica diretta. Il cambiamento di fase è rappresentato attraverso un modello termodinamico semplificato a doppio scalare e una condizione locale di saturazione. L’obiettivo è comprendere come la varianza scalare venga prodotta, trasferita tra scale differenti, trasportata nello spazio fisico e infine dissipata. I risultati mostrano una marcata asimmetria verticale, associata all’organizzazione delle strutture convettive e all’intensificazione dei processi dissipativi in prossimità della parete superiore. L’analisi condizionata mette inoltre in luce differenze significative tra le regioni sature e non sature nella distribuzione della varianza e nei relativi meccanismi di trasporto tra posizioni e scale, evidenziando una dinamica più intensa all’interno delle strutture sature. La varianza associata alle regioni umide presenta infine un trasporto prevalentemente verticale verso la parete superiore, coerente con la dinamica ascendente delle plume caratteristica della convezione di Rayleigh–Bénard.