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La modellistica fisica e numerica a supporto della progettazione di opere di difesa idraulica e marittima – 16 Febbraio 2015
INTEGRAZIONE TRA MODELLISTICA FISICA E NUMERICA
Gian Mario Beltrami Campagnani
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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PROFILI E LIVELLI SULLA CRESTA Confronto tra i profili derivanti da calcoli preliminari (1D) e quelli derivanti da modellazione numerica 3D e fisica.
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VERIFICA DELLA SCALA DI DEFLUSSO
624.9
626.9
628.9
630.9
632.9
634.9
636.9
638.9
640.9
642.9
644.9
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2000
4000
6000
8000
1000
0
1200
0
1400
0
1600
0
Act
ual
Hea
d (m
asl
)
Act
ual
Hea
d (m
)
Discharge (m3/s)
a = 5°
a = 10°
a = 15°
a = 20°
a = 25°
a = 30°
a = 35°
a = 40°
a = 45°
free overflow
Experimental Data - Free Flow
Experimenta Data - Controlled Flow
Numerical Model
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Design Extreme
-2.10 -2.62 -1.10 -0.77 -1.46 -1.46
left hydraulic -1.56 -2.09 -1.15 -1.27 -1.14 -1.53
right hydraulic -1.58 -2.07 -3.15 -2.33 -3.62 -3.26
-2.08 -2.61 -2.46 -2.33 -3.08 -2.913rd bay
1:50 Physical Modellayout S0-A0
Design(mean) (mode)
Extreme(mean) (mode)
bay or pier
Pressure (mH2O)
Numerical Model
4th bay
Central Pier
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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.
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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.
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0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0W
ater
dep
th (m
)Distance along invert from Pier's downstream edge (m)
DESIGN FLOOD - 3D Numerical Model with air-entrainment PMF FLOOD - 3D Numerical Model with air-entrainmentDESIGN FLOOD - 3D Numerical Model - one phase PMF FLOOD - 3D Numerical Model - one phaseDESIGN FLOOD - 1:50 Physical Model PMF FLOOD - 1:50 Physiscal Model
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CODE DI GALLO Confronto tra i risultati forniti dai modelli e da formulazioni empiriche di uso preliminare. Problema di interazione aria-acqua.
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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.
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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.
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PROFILI DI MOTO GRADUALMENTE VARIO
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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.
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OPERE DI DISSIPAZIONE I problemi del salto di sci (Flip-bucket) Traiettoria del getto e iterazione con l’aria
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OPERE DI DISSIPAZIONE I problemi della vasca di dissipazione
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GRAZIE PER L’ATTENZIONE
