INTEGRAZIONE TRA MODELLISTICA FISICA E NUMERICA. Gian Mario Beltrami Campagnani

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Teresa Perri
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1 INTEGRAZIONE TRA MODELLISTICA FISICA E NUMERICA Gian Mario Beltrami Campagnani La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

2 PREMESSA QUANDO L utilizzo congiunto di modelli numerici complessi - in particolare tridimensionali - e di modelli fisici è generalmente limitato - per ovvi motivi di tempo e di costo - al caso di opere di rilevante valore economico, il cui eventuale cattivo funzionamento può determinare - secondo i casi - da un significativo danno economico fino alla perdita di vite umane. PERCHE L utilizzo di tali modelli è rivolto a verificare e integrare il quadro conoscitivo derivante dai calcoli semplificati (formulazioni teoriche ed empiriche, modellazioni numeriche 1D) eseguiti durante la fase di progettazione idraulica preliminare di un opera e addivenire alla sua progettazione definitiva. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

3 VERIFICA E INTEGRAZIONE Nello sforzo di rappresentare le mai completamente riproducibili condizioni prototipali, un modello numerico e un modello fisico fanno agio su differenti assunti, essenzialmente legati alle equazioni integrate in un caso, ovvero alla scelta del criterio di similitudine e della scala nell altro. I risultati ottenuti non sono sempre direttamente confrontabili, potendo rispondere - secondo i casi - a specificità riproducibili in una sola delle due modellazioni. E compito del progettista, una volta recepiti i risultati delle diverse modellazioni, effettuare le verifiche, i confronti e le integrazioni necessarie a dotarsi del quadro conoscitivo indispensabile a valutare l efficienza dell opera progettata e, nel caso, ad apportare le necessarie modifiche. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

4 PRESUPPOSTO Presupposto di tali verifiche, confronti e integrazioni è chiaramente la dettagliata conoscenza non tanto dei criteri di modellazione, compito specifico del modellatore, quanto delle assunzioni sulle quali la specifica modellazione si fonda, ovvero - in altre parole - delle risposte ottenibili dai diversi modelli utilizzati, nonché del grado di affidabilità di ciascuna risposta. Modellista Numerico Modellista fisico Progettista La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

5 ESEMPI TIPICI DI USO CONGIUNTO DI MODELLAZIONE FISICA E NUMERICA Opere marittime Propagazione del moto ondoso e verifiche di stabilità e sormonto di opere esterne di difesa dei porti. Opere Idrauliche Verifica delle condizioni idrodinamiche di sfioratori di grandi dighe. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

6 APPROCCIO ALLA SOGLIA SFIORANTE Di particolare interesse nel caso in cui l approccio alla soglia presenti una canalizzazione. Numerico: campi (livello, velocità). Fisico: percorso dei traccianti, misure puntuali di livello e velocità. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

7 PROFILI E LIVELLI SULLA CRESTA Confronto tra i profili derivanti da calcoli preliminari (1D) e quelli derivanti da modellazione numerica 3D e fisica. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

8 VERIFICA DELLA SCALA DI DEFLUSSO Actual Head (m) a = 5 a = 10 a = 15 a = 20 a = 25 a = 30 a = 35 a = Actual Head (m asl) a = 45 free overflow Experimental Data - Free Flow Experimenta Data - Controlled Flow Numerical Model Discharge (m 3 /s) La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

9 PRESSIONI SULLA CRESTA (CAVITAZIONE) Distribuzione delle pressioni non idrostatiche. 1. Calcoli Preliminari: Interpolazione grafici sperimentali USBR. 2. Mod. Numerico (non idrostatico): Campi e distribuzioni di pressione. 3. Mod. Fisico: Misure puntuali di pressione sulla cresta. Pressure (mh 2 O) bay or pier Numerical Model Design Extreme Design (mean) (mode) 1:50 Physical Model layout S0-A0 Extreme (mean) (mode) 4th bay Central Pier left hydraulic right hydraulic rd bay La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

10 FORMAZIONE DI VORTICI D ARIA Sfioratori presidiati da paratoie Perturbazioni legate al flusso sotto battente. Perturbazioni dovute alla presenza di gargami. I PROBLEMI DELLA MODELLAZIONE DEI FENOMENI DI INTERAZIONE ARIA-ACQUA Modellazione numerica bifase (aria-acqua) ostacolata dalle dimensioni della griglia di calcolo; Modellazione fisica generalmente ostacolata dalla scala. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

11 12.0 CODE DI GALLO 10.0 Confronto tra i risultati forniti dai modelli e da formulazioni empiriche di uso preliminare. Problema di interazione aria-acqua. Water depth (m) DESIGN FLOOD - 3D Numerical Model with air-entrainment PMF FLOOD - 3D Numerical Model with air-entrainment DESIGN FLOOD - 3D Numerical Model - one phase PMF FLOOD - 3D Numerical Model - one phase DESIGN FLOOD - 1:50 Physical Model PMF FLOOD - 1:50 Physiscal Model Distance along invert from Pier's downstream edge (m) La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

12 PROFILI DI MOTO GRADUALMENTE VARIO Calcoli preliminari Profili black-water Soluzione equazione di Bernouilli; Profili white-water formulazioni empiriche sovrapposte ai profili black-water. Indice di cavitazione Basato sui profili precedenti. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

13 PROFILI DI MOTO GRADUALMENTE VARIO (Confronti) Modellazione Numerica 3D Campi di livello, velocità e pressione. Evidenza delle onde stazionarie. Simulazione dell intrappolamento d aria. Modellazione Fisica Misure puntuali di: Livello; Velocità; e Pressione. Evidenza delle onde stazionarie. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

14 PROFILI DI MOTO GRADUALMENTE VARIO La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

15 AERAZIONE DALLA SUPERFICE E DA DISPOSITIVI SPECIFICI Mod. Numerica 3D: Valutazione della percentuale d aria intrappolata dal flusso di black-water. Mod. Fisica: Portata d aria richiamata dagli areatori. La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

16 OPERE DI DISSIPAZIONE I problemi del salto di sci (Flip-bucket) Traiettoria del getto e iterazione con l aria La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

17 OPERE DI DISSIPAZIONE I problemi della vasca di dissipazione La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

18 GRAZIE PER L ATTENZIONE La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima 16 Febbraio

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