Come si studia l’Idraulica?

Teoria

Simulazioni numeriche

Simulazioni sperimentali

Simulazioni numeriche

Per diventare uno scrittore basta una macchina da scrivere?

E per eseguire correttamente simulazioni numeriche basta avere un programma?

Garbage in = Garbage out

Fondamentale conoscere:

Ipotesi di base

Limiti di validità dei modelli usati

Leggere sempre il manuale teorico e non solo il manuale utente!!!!

Simulazioni numeriche

Es. CPL 1D

Hec-Ras

Simulazioni numeriche

HEC-RAS Sviluppato dall’Hydrologic Engineering Center dell’US Army Corps of

Engineers

Hydraulic Reference Manual

WS (watersurface) la quota della superficie libera

he le perdite di carico continue e localizzate per allargamento o restringimento di sezione

HEC-RAS

HEC-RAS

Sf rappresenta la pendenza della linea dei carichi totali (friction slope) = j nel tratto, lungo L, fra le due sezioni 2 e 1, valutata con una delle 4 formule opzionali Per le perdite di carico localizzate per allargamento e restringimento di sezione sono consigliati valori del coefficiente c pari a 0.1 ÷ 0.2 nel caso di corrente veloce (supercriitica), mentre per le correnti lente (moti subcritici ):

HEC-RAS

La quota idrometrica WS incognita è determinata risolvendo col metodo della secante l’equazione del bilancio energetico.

Integrazione numerica

Es. standard step: Sezioni note, altezze d’acqua incognite

Hec - Ras

Es. direct step: altezze d’acqua note, sezioni incognite

Integrazione numerica

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Schema 1D: suddivisione della sezione media pesata (rispetto alle Q)dell’altezza cinetica per calcolare l’energia specifica della sezione

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Non può riprodurre pattern di circolazione trasversale

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Non può riprodurre la distribuzione delle velocità nelle sezioni né il profilo verticale di velocità

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Non può riprodurre il comportamento di una CPL dovuto alla presenza di una curva!!! (vedi Marchi-Rubatta pag. 651 –658) Correnti lente: Sopraelevazione del pelo libero nella sponda esterna e depressione in quella interna Correnti veloci: Situazione più complicata, corrente non “sente” la presenza della curva, urta contro la parte esterna della curva, si producono perturbazioni che si propagano verso valle lungo la parete. Trattazione analitica più complessa rispetto alle correnti lente

Possibile sormonto di un argine in curva!!!!

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

HEC-RAS unsteady flow (moto vario)

Incognite:2N

Equazioni (cont e dinamica) : 2(N-1)

Condizioni al contorno: 2

Idrogramma di piena:

Q(1,t) t>0

HEC-RAS condizioni al

contorno

HEC-RAS condizioni al

contorno

E condizioni iniziali

CFD – Fluidodinamica computazionale (2D o 3D)

Campi di applicazione

Industria

VELA MotoGP

F1

Aereonautica

CFD - Fasi

Scelta del modello

Definizione della geometria e creazione della mesh

Assegnazione condizioni al contorno

Risoluzione delle equazioni

Postprocessing

Com

prens

ione

della

flui

dod

inam

ica

Tipi di mesh

Griglia strutturata

Griglia non strutturata

Discretizzazione dominio

Differenze finite

Elementi finiti

Tipi di mesh

Conforme Non conforme

Turbolenza e dipendenza dalle condizioni iniziali

Modelli numerici: convergenza, accuratezza, errori troncamento e approssimazione

Turbolenza e dipendenza dalle condizioni iniziali

Modelli numerici: convergenza, accuratezza, errori troncamento e approssimazione

Reynolds, Turbolenza e Scale

Cascata di energia

Spettro di energia e modelli

Classificazione modelli

DNS (Direct Navier Stokes simulation)

LES (Large Eddy Simulation)

RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes Equations)

DNS e supercomputer

LES e RANS

RANS: eq Reynolds Eq. continuità + NS (fluido incomprimibile)

Decomposizione Reynolds e media insieme

RANS: eq Reynolds

Eq. Reynolds = Equazioni NS mediate (decomposizione di Reynolds + media di insieme!)

Media prodotti fluttuazioni: sforzi turbolenti, termine non lineare

RANS: eq Reynolds e chiusura della turbolenza

6 eq (3 comp. NS+eq. cont) e 10 incognite!!

Modelli di chiusura della turbolenza

Modelli empirici, validità limitata

Es. Viscosità turbolenta – Ipotesi Boussinesque

CFD come strumento di ottimizzazione delle stazioni di sollevamento

Per le stazioni di nuova progettazione utile per:

• Identificare possibili problemi

• Ottimizzare il progetto

• Verificare la soluzione

Stazioni esistenti:

• Risoluzione problemi

• Test soluzioni

• Sviluppare stetegie operative

Da slide Xylem

Fenomeni idraulici da evitare

Eccessiva prerotazione

Distribuzione di velocità

all’aspirazione

Presenza di vortici

CFD - Casi studio Xylem

CFD - progettazione di una nuova stazione di pompaggio (Q = 23 mc/s)

Soluzione originale Soluzione ottimizzata

Casi studio Xylem

CFD – ottimizzazione progetto stazione pompaggio

Soluzione originale Soluzione ottimizzata

Casi studio Xylem

setti

Problema: presenza di un vortice ad alto contenuto energetico, che penetra nel corpo pompa

Rumore, vibrazioni, incremento consumi!!

Soluzione : Flygt FSI (Formed Suction Intake)

CFD – ottimizzazione aspirazione

Casi studio Xylem

Brevetto Xylem FSI (Formed Suction Intake)

Stazione Capri - Xylem FSI (Formed Suction Intake)

Casi studio Xylem

CFD – Canale di Panama

CFD – Canale di Panama

Caso studio Xylem su commissione di CIMOLAI

Velocità

Sforzi viscosi

Posizionamento di mixer per evitare problemi di sedimentazione

Es. Il vulcano buono – Nola: problema depressione e vortici

CFD – Solo nell’ingegneria Idraulica? E nel campo dell’Ing Civile?

Progetti di Renzo Piano

Es. Stadio Bari: effetto Venturi, palla deviata!

Karalit,

CFD 3D

CFD es codici usati:

Envi-met modello microclimatico

Es. risultati tesi su fluidodinamica edifici a corte

Risultati ottenuti Envi-met Tesi Matteo Monari

Risultati ottenuti con Karalit Tesi Giacomo Spano

Fluidodinamica per ottimizzare comfort e prestazioni energetiche di edifici e componenti edilizi

DICAAR – Sez. Idraulica e Architettura

E’ sufficiente la CFD?? Simulazioni sperimentali: servono ancora i modelli di laboratorio??

“It doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you are. If it doesn't agree

with experiment, it's wrong. “

Richard P. Feynman

Simulazioni sperimentali

Analisi dimensionale

Modelli e similitudine

Tecniche di misura

Modelli Laboratorio Idraulica UniCa

Analisi dimensionale Teorema Pi Greco (Buckingham)

n variabili fisiche, j dimensioni fondamentali, K = n-j variabili adimensionali

Abaco Moody

Modelli e similitudine

Similitudine geometrica

Similitudine cinematica

Similitudine dinamica

Modelli e similitudine

Similitudine per forze peso: Froude

Similitudine forze viscose: Reynolds

Attenzione a effetti tensione superficiale: Weber!

Similitudine distorta (es canali)

Tecniche di misura non intrusive: Analisi di immagine

Misura di campi di concentrazione e di velocità

Non solo in laboratorio… Es. Stima delle portate in alveo

LSPIV = Large Scale Particle Image Velocimetry

Modelli laboratorio idraulica UniCA

Dighe

Scarichi a mare

Scarichi a mare

Set up sperimentale

Getti Getto semplice

Getto pesante

Strato limite atmosferico

100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

x 107

Profilo verticale approssimato

Set up sperimentale

Termiche

Flussi pulsati

Es Laboratorio biofluidodinamica