CARATTERIZZAZIONE IDRODINAMICA DELLE CORRENTI A PELO LIBERO

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Gloria Beretta
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1 CARATTERIZZAZIONE IDRODINAICA DELLE CORRENTI A PELO LIBERO SSD ICAR Prof. Ing. Greco ichele Ing. irauda Domenica Ing. Pannone arilena TEA DI RICERCA Analisi delle oscillazioni e dei campi di moto di strutture sommerse da correnti stazionarie attraverso modelli numerici e indagini di laboratorio Collaborazioni esterne con il Politecnico di ilano

Pannone arilena TEA DI RICERCA Analisi delle oscillazioni e dei campi di moto di

2 Descrizione della ricerca Da anni il gruppo di ricerca di idraulica in collaborazione con il politecnico di ilano analizza gli spostamenti e i campi di moto nell intorno di strutture bidimensionali e tridimensionali completamente o parzialmente sommerse. U U h D U L analisi delle vibrazioni e la ricostruzione dei campi di moto a valle di strutture investite da correnti fluide è un argomento della ricerca di base con riscontri applicativi in molti campi dell ingegneria. Le eccessive vibrazioni possono causare: cedimenti e/o danneggiamenti strutturali; perdite di efficienza di organi meccanici. Paratoia Pile di ponti Piattaforma Impianti eolici Turbine marine

U U h D U L analisi delle vibrazioni e la ricostruzione dei campi di moto a valle di strutture investite da correnti fluide è un argomento della ricerca di base con

3 In particolare l obiettivo principale risiede nella Ricerca di soluzioni che consentano l attenuazione delle vibrazioni indotte dall interazione corrente struttura. Differenti forme (D, 3D) Differenti materiali (leggeri, pesanti) Approccio analitico Approccio sperimentale Differenti condizioni al contorno (completamente o parzialmente sommerse e prossime alla parete) Approccio analitico Sistema: assa olla Smorzatore B U Equazione del moto:... x+ ω ζ x+ ω x n = n F ( m t ) f C C n = + ' la frequenza naturale del corpo in acqua ( f n =ω n /π) π m+ m a m a = αcaπρd πζ xi = ln ζ xi + 3 C Comportamento lineare gradi di libertà m la massa aggiunta m a (Patton 95) il rapporto di smorzamento ζ (Naudascher 99) 3

sommerse e prossime alla parete) Approccio analitico Sistema: assa olla Smorzatore B U Equazione del moto:.

4 Approccio sperimentale Tecnica PIV Apparato d inseminazione CCD Lampada ad incandescenza CCD (trasversale) Le misure sono state effettuate sia nel Laboratorio di Idraulica e Costruzioni Idrauliche dell Università degli Studi della Basilicata sia nel Laboratorio di Idraulica del Politecnico di ilano

Laboratorio di Idraulica e Costruzioni Idrauliche dell Università degli

5 Alcuni risultati della ricerca Traiettorie dei corpi Campi di moto Y / D Y / D U*=.8 U*=. U*=.9 U*=3.7 U*= X / D.8.. U*= U*=.8 -. U*= U*=3.8 U*=.58 U*=5.35 U*= X / D TEA DI RICERCA ETODOLOGIA SPEDITIVA PER LA DETERINAZIONE DEL CAPO DI OTO IN ALVEI NATURALI Collaborazioni esterne con il CNR-IRPI di Perugia e con l Università Erciyes, Kayseri, Turchia 5

6 Obiettivi della ricerca a) Validazione del modello entropico come metodo speditivo per la misura della portata liquida. b) Caratterizzazione del parametro entropico dalle grandezze che intervengono nella definizione di una corrente fluida a pelo libero e nella descrizione dei processi energetici principali che in essa hanno atto, quali possono essere la portata, la pendenza, il raggio idraulico, la forma, la scabrezza e gruppi adimensionali come ad es. il numero di Froude, la scabrezza relativa, ecc. A tal fine sono state condotte esperienze di laboratorio e di campo odello entropico Si basa sulla teoria di massimizzazione del contenuto entropico - informazionale di un sistema fisico (Chiu 987): U max ξ ξ u = ln + ( e ) ξ max ξ da cui deriva il legame esplicito tra la velocità media e la velocità massima della sezione: U e = = b U e max ( ) dove ξ rappresenta la variabile adimensionale del sistema di riferimento adottato per la rappresentazione del piano fisico : y y ξ = exp D h D h nel caso di canali naturali larghi: ξ = y D

hanno atto, quali possono essere la portata, la pendenza, il raggio idraulico, la forma, la scabrezza e gruppi adimensionali come ad es. il numero di Froude, la scabrezza relativa, ecc.

7 Sviluppi del modello entropico u u = maxi ln + y y ( e - ) exp - D i - h D i - h dove U maxi rappresenta la massima velocità della verticale, D i la profondità della corrente della verticale e n il numero di verticali campionate nella sezione trasversale. Greco et al. () oramarco et al. () ui umaxi - = e i e i - - e φ() = e - - i dove Φ() è il coefficiente della retta che meglio approssima le coppie di punti velocità media e velocità massima della sezione per differenti valori di portata. Ardiclioglu et al. (5) u = max u dove (costante lungo tutte le verticali) è il coefficiente della retta che meglio approssima le coppie di punti velocità media e velocità massima della sezione per differenti valori di portata. Esperienze di laboratorio Sezione rettangolare Sezione trapezia asimmetrica Sezione trapezia simmetrica 7

() ui umaxi - = e i e i - - e φ() = e - - i dove Φ() è il coefficiente della retta che meglio approssima le coppie di punti velocità media e velocità massima della sezione per differenti valori di

8 ,8,,,,8,,, isure di campo rilievo svolto a guado con asta graduata rilievo svolto da ponte con sistema di calata: carrello, peso idrodinamico Alcuni risultati della ricerca Relazione tra la velocità media e massima della corrente Ricostruzione del profilo di velocità con il modello entropico U (cm/s) 8 i=% i=.5% i=.5% i=.75% i=% U media =,875U max R =,997 y/d umisurato ugreco uardiclioglu uoramarco uchiu u (cm/s) 8 u max (cm/s) umisurato ugreco y/d uardiclioglu uoramarco e φ() = e - - uchiu u (cm/s) 8

Ricostruzione del profilo di velocità con il modello entropico U (cm/s) 8 i=% i=.5% i=.

9 TEA DI RICERCA Analisi del transitorio nel processo di dispersione idrodinamica all interno di aste fluviali Contenuti Proposta di un nuovo approccio analitico per la valutazione del coefficiente di dispersione longitudinale in canali uniformemente rettilinei a sezione fortemente dissimmetrica in condizioni transitorie ed asintotiche. La base di partenza è rappresentata dalla teoria del trasporto stocastica lagrangiana,, in cui gli elementi del tensore di macrodispersione sono direttamente legati al tasso di variazione dei momenti del ordine della singola particella di soluto. Le curve risultanti sono state plottate utilizzando i profili di velocità ricavati a partire dalle misure di profondità effettuate lungo sei fiumi calabresi, sulla base di una equazione di anning opportunamente generalizzata. Gli stessi calcoli sono stati ripetuti con riferimento a distribuzioni di velocità relative a sezioni simmetriche equivalenti,, caratterizzate dai soli parametri idrodinamici e morfologici medi,, per i casi allo studio e per una vasta gamma di fiumi statunitensi a coefficienti i di dispersione asintotici noti. 9

La base di partenza è rappresentata dalla teoria del trasporto stocastica lagrangiana,, in cui gli elementi del tensore di macrodispersione sono direttamente legati al tasso di variazione dei momenti

10 Approccio stocastico lagrangiano ū(y) ū(y) B B Coefficiente di dispersione longitudinale D x () t d X' = dt y x ū(y) condizione iniziale iziale B uk B k Dyt Dx () t π exp k = k Dy B = π D : mixing turbolento trasversale u k y : coeff. Fourier velocità River B(m) H(m) U(m/s) u * (m/s) D y (m /s) Neto Lao Crati Savuto Simeri Follone

mixing turbolento trasversale u k y : coeff.

11 h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s] Crati river: field velocity measurements D x [m /s] Crati river: Transient longitudinal dispersion coefficient y [m] 3 t[s].5 Simeri river: field velocity measurements Simeri river: Transient longitudinal dispersion coefficient 5 h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s] D x [m /s] 3-8 y [m] 3 t[s] : D x per profilo di velocità simmetrico generalizzato h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s] Neto river: field velocity measurements D x [m /s] Neto river: Transient longitudinal dispersion coefficient y [m] 3 t[s] Lao river: field velocity measurements Lao river: Transient longitudinal dispersion coefficient h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s] D x [m /s] y [m] 3 t[s] : D x per profilo di velocità simmetrico generalizzato

5 D x [m /s] 3-8 y [m] 3 t[s] : D x per profilo di velocità simmetrico generalizzato h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s].5.5 -.

12 .5 Savuto river: field velocity measurements Savuto river: Transient longitudinal dispersion coefficient h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s] D x [m /s] y [m] 3 t[s].5 Follone river: field velocity measurements Follone river: Transient longitudinal dispersion coefficient h(y)[m],u [m/s],u 8 [m/s] D x [m /s] y [m] 3 t[s] : D x per profilo di velocita simmetrico generalizzato D xcalc [m /s] D xcalc [m /s] Calculated vs observed longitudinal dispersion coefficient D [m /s] xoss Calculated vs observed longitudinal dispersion coefficient D [m /s] xoss Coefficienti di dispersione asintotici misurati (formula integrale di Fischer et al., 979) e calcolati Presente e studio: profilo di velocità relativo alla sezione effettiva Presente studio: profilo di velocità per le sezioni simmetriche equivalenti Formula calibrata di Deng et al., : D Hu.5 = x * 8ε t B H 5 / 3 Formula di regressione di Seo e Cheong,, 998:. U u* D x 5 B U.95 \ = Hu* H u*.8

5 D x [m /s] 8-5 5 y [m] 3 t[s] : D x per profilo di velocita simmetrico generalizzato D xcalc [m /s] D xcalc [m /s] Calculated vs observed longitudinal dispersion coefficient 8 5 5 D [m /s] xoss

13 Calibration factor for Deng et al. () data series D xoss /D xcalc 8 8 River identification number In media D xoss =KD xcalc K=3 ississippi, Louisiana. Durata transitorio=5h 3

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