di scabrezza” - GRUPPO iTALIANO DI iDRAULICA · Idrauliche IDRA 2012 Brescia. [4] P. GUALTIERI,...

“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.


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.



Experimental plant.



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).



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


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



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



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




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).




Il metodo è stato tarato misurando la scabrezza della stessa superficie in moto uniforme

Impianto sperimentale per correnti in moto uniforme su superficie vegetata


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


Risultati sperimentali

Comparison among Manning’s coefficients In red: Authors’ coefficients


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


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’


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


Macroscale adimensionalizzate rispetto alla altezza dei

bastoncini

Statistiche della Turbolenza. Distribuzione di Velocità Medie Locali, Deviazioni Standard, Skewness,Kurtosis,Macroscale



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).



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


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.


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

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