di scabrezza” - gruppo italiano di idraulica · idrauliche idra 2012 brescia. [4] p. gualtieri,...
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“Resistenza al moto e fenomeni di
mescolamento in correnti turbolente
defluenti in alvei con diverse scale
di scabrezza” (Cosenza, Palermo, Napoli)
Unità di Ricerca di Napoli
RESISTENZE AL MOTO E FENOMENI DI MESCOLAMENTO IN CORRENTI DEFLUENTI IN
ALVEI VEGETATI
(2 Linee di Ricerca)
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente di strato limite su superficie vegetata
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Problema della determinazione delle resistenze al moto
Linea di Ricerca 1-Filone III (Vegetazione rigida sommersa)
Statistiche della turbolenza. Distribuzioni di
Velocità medie, Dev. stand, Skewness, Kurtosis,
Macroscale.
Linea di Ricerca 1-Filone II+III (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente che investe un singolo bastoncino
Linea di Ricerca 1-Filone I+II+III (Vegetazione rigida sommersa)
Sintesi delle problematiche
affrontate e dei risultati raggiunti
Linea di Ricerca 2 (Vegetazione rigida emergente)
Premessa: la vegetazione influenza i processi di
trasporto dei soluti, quali, ad esempio, inquinanti,
in un canale a pelo libero
Uso di simulazioni numeriche pregresse di campi di
moto e di concentrazione per applicazione a problemi di
vegetazione emergente.
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente di strato limite su superficie vegetata:
Adimensionalizzazione di velocità e distanze dal fondo
sì da ottenere distribuzioni di velocità indipendenti dal
tipo di vegetazione.
[1] S. DE FELICE, P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2009) “A Universal Distribution of Local Mean
Velocities in Boundary Layers Flowing Over Vegetated Bottoms” XXXIII IAHR Congress.Vancouver,
British Columbia, Canada
[2] S. DE FELICE, P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2009) “Experimental comparison through
LDA between currents with submerged vegetation” 7th International Symposium on
EchoHydraulics, Concepcion (Chile)
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa) Corrente di strato limite su superficie vegetata:
Experimental plant.
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa) Corrente di strato limite su superficie vegetata:
Experimental plant.
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente di strato limite su superficie vegetata:
Experimental plant.
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente di strato limite su superficie vegetata:
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
55,5
66,5
77,5
8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
Figure 7. Non-dimensional velocity excess in open current distributions: cylinders central verticals (black); cylinders lateral verticals (dark grey); grass carpet (grey).
Linea di Ricerca 1-Filone I (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente di strato limite su superficie vegetata:
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
(u-ue)/(umax-ue)
(y-ye)/d70
Boundary layer f low
Transition f low
Uniform flow
Accelerated f low
Figure 13. Non dimensional open current velocity excess distributions along the whole current
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Problema della determinazione delle resistenze al moto:
Questioni di base sul significato di scabrezza delle pareti; metodologia basata su correnti di strato limite per la valutazione della scabrezza equivalente in sabbia su pareti vegetate con primi risultati.
[3] P. GUALTIERI, V. PASQUINO, G. PULCI DORIA (2012) Condizioni Preliminari Necessarie per effettuare un
Confronto tra Scabrezza di Strickler e Scabrezza di Nikuradse XXXIII Convegno di Idraulica e Costruzioni
Idrauliche IDRA 2012 Brescia.
[4] P. GUALTIERI, S. DE FELICE, V. PASQUINO, G. PULCI DORIA (inviato) – “Use of conventional
flow resistance equations in vegetated flows” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE.
[5] S. DE FELICE, P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2010) “Experimental Calibration of a Simplified
Method to Evaluate Absolute Roughness of Vegetated Channels” - Estratto dal volume D.T.Mihailovic
and C.Gualtieri (Eds): Advances in Environmental Fluid Mechanics, pp.360, World Scientific,
Singapore, Singapore
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Problema della determinazione delle resistenze al moto:
Scabrezza equivalente in sabbia di Strickler:
Definizione di una scabrezza in sabbia omogenea equivalente alla scabrezza di Strickler(valor medio dei grani) basandosi sulla formulazione di Manning e sulla teoria di Bombardelli(2002)
eq
S
SeqQdp
k
k
3
0
131
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Problema della determinazione delle resistenze al moto:
Concetto di scabrezza per le superficie vegetate:
1) Nelle correnti vegetate non esiste una scabrezza valida in tutte le condizioni di
funzionamento, ma essa varia al variare della sommergenza della vegetazione
2) Sono stati esaminati 20 casi sperimentali di variazione della scabrezza (kN,
kS, kB) con la sommergenza (h/k)
3) Sia la teoria che i dati sperimentali stabiliscono che l’andamento della
scabrezza con la sommergenza varia al variare del rapporto R/kN
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa) Concetto di scabrezza per le superficie vegetate:
4) Le due figure riguardano due esemplificazioni per valori del rapporto R/kN diversi
R/kN=1.90 R/kN=4.24
5) Si osserva che nel primo caso i kN tendono ad essere quasi costanti; e nel
secondo caso i kS, tendono ad essere quasi costanti.
6) Si conclude che per valori più bassi di R/kN i kN sono rappresentativi della scabrezza;
e per valori più alti di di R/kN i kS sono rappresentativi della scabrezza
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Problema della determinazione delle resistenze al moto:
Concetto di scabrezza per le superficie vegetate:
Il metodo di misura consiste nel determinare la distribuzione delle velocità in
sezioni successive dello strato limite preso in considerazione e valutare così
l’energia cinetica media di sezione nonché il coefficiente di Coriolis α che varia
di sezione in sezione. La differenza tra le energie di sezioni successive è una
misura delle perdite di carico, e il valore della J viene valutato dove il
coefficiente α non varia con l’ascissa (moto pseudo uniforme).
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Problema della determinazione delle resistenze al moto:
Concetto di scabrezza per le superficie vegetate:
Il metodo è stato tarato misurando la scabrezza della stessa superficie in moto uniforme
Impianto sperimentale per correnti in moto uniforme su superficie vegetata
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Risultati sperimentali
eblm
Smooth bottom 0.000139
Single Density
5mm 0.010102
10mm 0.031961
15mm 0.058847
Double Density
5mm 0.015215
10mm 0.045692
15mm 0.082069
Cilindretti 0.4cm di diametro disposti a quadrati da 2.5cm di lato nella Single Density e a rettangoli 2.5*5.0 nella double density
Notare che raddoppiando la densità la scabrezza non raddoppia
Linea di Ricerca 1-Filone II (Vegetazione rigida sommersa)
Risultati sperimentali
Comparison among Manning’s coefficients In red: Authors’ coefficients
Linea di Ricerca 1-Filone III (Vegetazione rigida sommersa)
Statistiche della Turbolenza. Distribuzione di Velocità Medie
Locali, Deviazioni Standard, Skewness,Kurtosis,Macroscale
Determinazione sperimentale, mediante tecnica LDA, delle suddette
distribuzioni per una corrente defluente su fondo vegetato.
[6] P. GUALTIERI, S. DE FELICE, , G. PULCI DORIA (2010) Studio Sperimentale di Grandezze
Statistiche Turbolente in Correnti Defluenti su Superfici Vegetate XXXII Convegno di Idraulica e
Costruzioni Idrauliche IDRA 2010 Palermo
[7] S. DE FELICE, P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2010) “Turbulent Flow within and above sparse
canopy”, 8th International Symposium on EchoHydraulics, Coex, Seoul (Korea)
[8] P . GUALTIERI P. S. DE FELICE. F. DELL’ORFANO and G. PULCI DORIA (2011) “Integral Length
Scales in Vegetated Open Channel Flows”, 8th International Conference on Heat Transfer, Fluid
Mechanics and Thermodynamics (HEFAT2011), Mauritius
Linea di Ricerca 1-Filone III (Vegetazione rigida sommersa)
Statistiche della Turbolenza. Distribuzione di Velocità Medie
Locali, Deviazioni Standard, Skewness,Kurtosis,Macroscale
Il canale adoperato è lo stesso già usato per la taratura del metodo per la misura
della scabrezza
Il sistema di acquisizione è sempre il sistema LDA già mostrato
0
2
4
6
8
10
12
0 0.5 1 1.5
u m/s
y cmP1Q1Asd
P1Q1Bsd
P1Q2Asd
P1Q2Bsd
P1Q3Asd
P1Q2Bsd
0
2
4
6
8
10
12
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
u' m/s
y cm
P1Q1Asd
P1Q1Bsd
P1Q2Asd
P1Q2Bsd
P1Q3Asd
P1Q3Bsd
Distribuzione U Distribuzione u’
Linea di Ricerca 1-Filone III (Vegetazione rigida sommersa)
Distribuzione S Distribuzione K
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-1 0 1 2 3
Sku
y cm P3Q1Add
P3Q1Bdd
P3Q2Add
P3Q2Bdd
P3Q3Add
P3Q3Bdd
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-1 0 1 2 3
Ku
y cmP3Q1Add
P3Q1Bdd
P3Q2Add
P3Q2Bdd
P3Q3Add
P3Q3Bdd
Statistiche della Turbolenza. Distribuzione di Velocità Medie Locali, Deviazioni Standard, Skewness,Kurtosis,Macroscale
Linea di Ricerca 1-Filone III (Vegetazione rigida sommersa)
Macroscale adimensionalizzate rispetto alla altezza dei
bastoncini
Statistiche della Turbolenza. Distribuzione di Velocità Medie Locali, Deviazioni Standard, Skewness,Kurtosis,Macroscale
Linea di Ricerca 1-Filone II+III (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente che investe un singolo bastoncino
Studio delle statistiche per fornire una interpretazione
dei risultati relativi alle scabrezze equivalenti in sabbia
per diverse densità di vegetazione
[9] S. DE FELICE, P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2009) “An Lda Study of
Turbulent Flow behind a Submerged Stick in a Channel” XVI Convegno
Nazionale AIVELA, December 2008
[10] S. DE FELICE, P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2009) “Influence field of a
single rigid submerged stick in a liquid current and its relations with a sticks
array”, 7th International Symposium on EchoHydraulics, Concepcion (Chile).
Linea di Ricerca 1-Filone II+III (Vegetazione rigida sommersa)
Corrente che investe un singolo bastoncino
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0 5 10 15 20
Distance from stick [cm]
DA/Ano stick
Relative difference of areas of mean velocity profiles against distance from the stick. Sticks 15mm high.
Linea di Ricerca 1-Filone II+III (Vegetazione rigida sommersa) Corrente che investe un singolo bastoncino
Relative difference of areas of fluctuation velocities variances profiles
against distance from the stick. Sticks 15mm high.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 5 10 15 20
Distance from stick [cm]
DA/Ano stick
Linea di Ricerca 1-Filone I+II+III (Vegetazione rigida sommersa)
Sintesi delle problematiche affrontate e dei risultati raggiunti
In un Capitolo di un Volume a diffusione internazionale
è stata fornita una sintesi dei problemi studiati
con un compendio dei risultati raggiunti.
[11] P. GUALTIERI, G. PULCI DORIA (2012) “Uniform Flow and
Boundary layer over Rigid Vegetation” within the Volume Fluid
Mechanics of Environmental Interfaces, Editors C.Gualtieri and
D.T.Mihailovic, Published by Taylor&Francis, Leiden, The
Netherlands
Linea di Ricerca 2 (Vegetazione rigida emergente)
Premessa: la vegetazione influenza i processi di
trasporto dei soluti, quali, ad esempio, inquinanti,
in un canale a pelo libero
Uso di simulazioni numeriche pregresse di campi di
moto e di concentrazione per applicazione a problemi di
vegetazione emergente.
Linea di Ricerca 2 (Vegetazione rigida emergente)
Pubblicazioni propedeutiche allo sviluppo della problematica
[12] C.Gualtieri (2010). RANS-based simulation of transverse turbulent mixing in a 2D geometry. Environmental Fluid Mechanics, vol.10, n.1−2, Aprile 2010, pp.137−156,
[13] C.Gualtieri, H.Chanson (2011). Hydrodynamics and turbulence in a positive surge. A comparative study. XXXIV Congresso IAHR, Brisbane (Australia), 26 Giugno/1 Luglio 2011.
[14] C.Gualtieri, H.Chanson (2011). Experimental study of hydrodynamics in a positive surge. Part 2:Comparison with literature theories and unsteady flow field analysis. Environmental Fluid Mechanics,vol.11, n.6, Dicembre 2011, 641−651.
[15] C.Gualtieri, H.Chanson (2012). Experimental study of hydrodynamics in a positive surge. Part 1: Basic flow patterns and wave attenuation. Environmental Fluid Mechanics, vol.12, n.2, Aprile 2012, 145−159.
Si ringrazia il gentile uditorio
THE END