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Come si studia l’Idraulica?
Teoria
Simulazioni numeriche
Simulazioni sperimentali
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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
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Fondamentale conoscere:
Ipotesi di base
Limiti di validità dei modelli usati
Leggere sempre il manuale teorico e non solo il manuale utente!!!!
Simulazioni numeriche
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Es. CPL 1D
Hec-Ras
Simulazioni numeriche
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HEC-RAS Sviluppato dall’Hydrologic Engineering Center dell’US Army Corps of
Engineers
Hydraulic Reference Manual
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WS (watersurface) la quota della superficie libera
he le perdite di carico continue e localizzate per allargamento o restringimento di sezione
HEC-RAS
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HEC-RAS
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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
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La quota idrometrica WS incognita è determinata risolvendo col metodo della secante l’equazione del bilancio energetico.
Integrazione numerica
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Es. standard step: Sezioni note, altezze d’acqua incognite
Hec - Ras
Es. direct step: altezze d’acqua note, sezioni incognite
Integrazione numerica
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HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)
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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)
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Non può riprodurre pattern di circolazione trasversale
HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)
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Non può riprodurre la distribuzione delle velocità nelle sezioni né il profilo verticale di velocità
HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)
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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)
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HEC-RAS unsteady flow (moto vario)
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Incognite:2N
Equazioni (cont e dinamica) : 2(N-1)
Condizioni al contorno: 2
Idrogramma di piena:
Q(1,t) t>0
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HEC-RAS condizioni al
contorno
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HEC-RAS condizioni al
contorno
E condizioni iniziali
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CFD – Fluidodinamica computazionale (2D o 3D)
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Campi di applicazione
Industria
VELA MotoGP
F1
Aereonautica
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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
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Tipi di mesh
Griglia strutturata
Griglia non strutturata
Discretizzazione dominio
Differenze finite
Elementi finiti
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Tipi di mesh
Conforme Non conforme
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Turbolenza e dipendenza dalle condizioni iniziali
Modelli numerici: convergenza, accuratezza, errori troncamento e approssimazione
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Turbolenza e dipendenza dalle condizioni iniziali
Modelli numerici: convergenza, accuratezza, errori troncamento e approssimazione
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Reynolds, Turbolenza e Scale
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Cascata di energia
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Spettro di energia e modelli
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Classificazione modelli
DNS (Direct Navier Stokes simulation)
LES (Large Eddy Simulation)
RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes Equations)
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DNS e supercomputer
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LES e RANS
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RANS: eq Reynolds Eq. continuità + NS (fluido incomprimibile)
Decomposizione Reynolds e media insieme
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RANS: eq Reynolds
Eq. Reynolds = Equazioni NS mediate (decomposizione di Reynolds + media di insieme!)
Media prodotti fluttuazioni: sforzi turbolenti, termine non lineare
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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
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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
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Fenomeni idraulici da evitare
Eccessiva prerotazione
Distribuzione di velocità
all’aspirazione
Presenza di vortici
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CFD - Casi studio Xylem
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CFD - progettazione di una nuova stazione di pompaggio (Q = 23 mc/s)
Soluzione originale Soluzione ottimizzata
Casi studio Xylem
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CFD – ottimizzazione progetto stazione pompaggio
Soluzione originale Soluzione ottimizzata
Casi studio Xylem
setti
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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
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Brevetto Xylem FSI (Formed Suction Intake)
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Stazione Capri - Xylem FSI (Formed Suction Intake)
Casi studio Xylem
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CFD – Canale di Panama
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CFD – Canale di Panama
Caso studio Xylem su commissione di CIMOLAI
Velocità
Sforzi viscosi
Posizionamento di mixer per evitare problemi di sedimentazione
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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!
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Karalit,
CFD 3D
CFD es codici usati:
Envi-met modello microclimatico
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Es. risultati tesi su fluidodinamica edifici a corte
Risultati ottenuti Envi-met Tesi Matteo Monari
Risultati ottenuti con Karalit Tesi Giacomo Spano
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Fluidodinamica per ottimizzare comfort e prestazioni energetiche di edifici e componenti edilizi
DICAAR – Sez. Idraulica e Architettura
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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
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Simulazioni sperimentali
Analisi dimensionale
Modelli e similitudine
Tecniche di misura
Modelli Laboratorio Idraulica UniCa
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Analisi dimensionale Teorema Pi Greco (Buckingham)
n variabili fisiche, j dimensioni fondamentali, K = n-j variabili adimensionali
Abaco Moody
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Modelli e similitudine
Similitudine geometrica
Similitudine cinematica
Similitudine dinamica
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Modelli e similitudine
Similitudine per forze peso: Froude
Similitudine forze viscose: Reynolds
Attenzione a effetti tensione superficiale: Weber!
Similitudine distorta (es canali)
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Tecniche di misura non intrusive: Analisi di immagine
Misura di campi di concentrazione e di velocità
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Non solo in laboratorio… Es. Stima delle portate in alveo
LSPIV = Large Scale Particle Image Velocimetry
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Modelli laboratorio idraulica UniCA
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Dighe
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Scarichi a mare
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Scarichi a mare
Set up sperimentale
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Getti Getto semplice
Getto pesante
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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
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Flussi pulsati
Es Laboratorio biofluidodinamica