Idraulica numerica e sperimentale

1. Modellazione e realtà (molte domande e poche risposte! Altrimenti detto: un po’ di filosofia!!)

2. Elementi di simulazione numerica: modellistica idraulica, CFD

3. Elementi di simulazione sperimentale

4. Esempi tratti dal Laboratorio Idraulica UniCa

La modellazione in ambito ambientale è una scienza??

Cosa significa scienza?

Che cosa è un modello?

Quale è la relazione con le teorie?

Quali sono le peculiarità dei modelli ambientali?

Come affrontare la scarsità di dati disponibili?

Calibrazione e validazione sono sufficienti?

E’ possibile la falsificazione?

Scienza

Modellazione

Ambiente

Da presentazione Toffolon

La modellazione in ambito ambientale è una scienza??

Da presentazione Toffolon

Alla presenza del Granduca, Galileo effettua l'esperimento della caduta dei gravi dalla Torre di Pisa (Luigi Catani, 1816, affresco

Problemi classici • induzione o deduzione • idealismo o realismo • formalismo

Verifica e falsificazione

Da presentazione Toffolon

Verifica: un’affermazione per essere significativa e scientificamente valida deve essere verificabile sperimentalmente Falsificazione: criterio di demarcazione tra teorie scientifiche e non scientifiche Teoria scientifica secondo Popper: Teoria previsione e falsificazione Pratica comune nei modelli: Calibrazione e verifica Problemi: •Percorso epistemologico dalla teoria alla simulazione •Il ruolo della complessità •La necessita di avere misure sperimentali

Verifica e falsificazione

Da presentazione Toffolon

Fisica e ingegneria: teorie modelli simulazioni numeriche L’evoluzione: Dall’era dei modelli a quella delle simulazioni numeriche

Problema: la verifica empirica

Da presentazione Toffolon

Quanto è ragionevole pagare per avere dati ambientali affidabili? Per quali tematiche? Vale la pena “solo“ per fenomeni che possono causare danni rilevanti?

Credibilità e affidabilità dei modelli

Da presentazione Toffolon

•Anche se i modelli sono fisicamente basati, le teorie alla base degli stessi sono approssimazioni •Quanto ci si può fidare delle estrapolazioni? •I modelli di chiusura empirica sono tipicamente derivati per casi stazionari •Le simulazioni numeriche forniscono informazioni sulla realtà effettiva o su una realtà possibile o verosimile? •C’è la necessità di misure sperimentali •In pratica il confronto è limitato a pochi elementi, anche se altre variabili non sono testate o riprodotte correttamente

La complessità della realtà

Da presentazione Toffolon

In ambito ambientale: •Caos •Assenza di determinismo •Effetti non lineari

The butterfly effect

In sintesi

Da presentazione Toffolon

•Aumentare la complessità dei modelli e i processi da simulare

una selva di dati e di numeri? processi (es ecomorfologia, legame tra trasporto di sedimenti e crescita della vegetazione)

•Spesso dati non affidabili o alto grado di complessità:

può determinare la falsificazione da parte dei modelli?

•Metodi analitici contro metodi numerici: le simulazioni sono come gli esperimenti, una singola realizzazione è come un singolo esperimento, ma c’è l a necessitò di “generalizzare ” la conoscenza

Dopo la filosofia torniamo all’ingegneria:

Come si studia l’Idraulica?

Teoria

Simulazioni numeriche

Simulazioni sperimentali

Simulazioni numeriche

Per diventare uno scrittore basta una macchina da scrivere?

E per eseguire correttamente simulazioni numeriche basta avere un programma?

Garbage in = Garbage out

Fondamentale conoscere:

Ipotesi di base

Limiti di validità dei modelli usati

Leggere sempre il manuale teorico e non solo il manuale utente!!!!

Simulazioni numeriche

Es. CPL 1D

Hec-Ras

Simulazioni numeriche

HEC-RAS Sviluppato dall’Hydrologic Engineering Center dell’US Army Corps of

Engineers

Hydraulic Reference Manual

WS (watersurface) la quota della superficie libera

he le perdite di carico continue e localizzate per allargamento o restringimento di sezione

HEC-RAS

HEC-RAS

Sf rappresenta la pendenza della linea dei carichi totali (friction slope) = j nel tratto, lungo L, fra le due sezioni 2 e 1, valutata con una delle 4 formule opzionali Per le perdite di carico localizzate per allargamento e restringimento di sezione sono consigliati valori del coefficiente c pari a 0.1 ÷ 0.2 nel caso di corrente veloce (supercriitica), mentre per le correnti lente (moti subcritici ):

HEC-RAS

La quota idrometrica WS incognita è determinata risolvendo col metodo della secante l’equazione del bilancio energetico.

Integrazione numerica

Es. standard step: Sezioni note, altezze d’acqua incognite

Hec - Ras

Es. direct step: altezze d’acqua note, sezioni incognite

Integrazione numerica

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Schema 1D: suddivisione della sezione media pesata (rispetto alle Q)dell’altezza cinetica per calcolare l’energia specifica della sezione

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Non può riprodurre pattern di circolazione trasversale

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Non può riprodurre la distribuzione delle velocità nelle sezioni né il profilo verticale di velocità

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

Non può riprodurre il comportamento di una CPL dovuto alla presenza di una curva!!! (vedi Marchi-Rubatta pag. 651 –658) Correnti lente: Sopraelevazione del pelo libero nella sponda esterna e depressione in quella interna Correnti veloci: Situazione più complicata, corrente non “sente” la presenza della curva, urta contro la parte esterna della curva, si producono perturbazioni che si propagano verso valle lungo la parete. Trattazione analitica più complessa rispetto alle correnti lente

Possibile sormonto di un argine in curva!!!!

HEC-RAS (come gli altri modelli 1D)

HEC-RAS unsteady flow (moto vario)

Incognite:2N

Equazioni (cont e dinamica) : 2(N-1)

Condizioni al contorno: 2

Idrogramma di piena:

Q(1,t) t>0

HEC-RAS condizioni al

contorno

HEC-RAS condizioni al

contorno

E condizioni iniziali

Modelli idraulici (2D o 3D)

Modelli idraulici (2D o 3D)

Possibili processi da inserire nella modellazione

Da brochure Flow-3D

Possibili applicazioni

Da brochure Flow-3D

Possibili applicazioni

Da brochure Mike 21 – Mike 3

Possibili applicazioni

Da brochure Mike 21 – Mike 3

Possibili anche modelli misti

1D/2D

1D Network 1D Network 2D

1D boundary condition

Small 1D elements representing culverts

1D boundary condition

1a

1b

1c

1D representation of open channel

2D

Small 1D elements representing culverts

1D representation of pipe network

Da user manual TUFLOW

HEC-RAS 1D/2D

TELEMAC

Modellazione numerica, indipendentemente dal tipo di modello

Stabilità

Convergenza

Accuratezza

Schemi numerici

Condizioni iniziali e al contorno

Computational fluid dynamics - CFD (2D o 3D)

Campi di applicazione

Industria

VELA MotoGP

F1

Aereonautica

CFD - Fasi

Scelta del modello

Definizione della geometria e creazione della mesh

Assegnazione condizioni al contorno

Risoluzione delle equazioni

Postprocessing

Com

prens

ione

della

flui

dod

inam

ica

Tipi di mesh

Griglia strutturata

Griglia non-strutturata

Turbolenza e dipendenza dalle condizioni iniziali

Modelli numerici: convergenza, accuratezza, errori troncamento e approssimazione

Turbolenza e dipendenza dalle condizioni iniziali

Modelli numerici: convergenza, accuratezza, errori troncamento e approssimazione

Reynolds, Turbolenza e Scale

Cascata di energia

Spettro di energia e modelli

Classificazione modelli

DNS (Direct Navier Stokes simulation)

LES (Large Eddy Simulation)

RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes Equations)

DNS e supercomputer

LES e RANS

RANS: eq Reynolds Eq. continuità + NS (fluido incomprimibile)

Decomposizione Reynolds e media insieme

RANS: eq Reynolds

Eq. Reynolds = Equazioni NS mediate (decomposizione di Reynolds + media di insieme!)

Media prodotti fluttuazioni: sforzi turbolenti, termine non lineare

RANS: eq Reynolds e chiusura della turbolenza

6 eq (3 comp. NS+eq. cont) e 10 incognite!!

Modelli di chiusura della turbolenza

Modelli empirici, validità limitata

Es. Viscosità turbolenta – Ipotesi Boussinesque

Tutti i modelli idraulici usati nella pratica sono RANS!!!

1D: Hec-Ras, Mike11 …

2D/3D: TuFlow, Flow-3D, Mike 21, Mike 3…

Com’è un modello idraulico non RANS?

Com’è un modello idraulico non RANS?

Com’è un modello idraulico non RANS?

CFD (RANS) meno fisica ma più risposte in ambito ingegneristico!!

(nonostante tutte le incertezze del caso!)

CFD (RANS) come strumento di ottimizzazione delle stazioni di sollevamento

Per le stazioni di nuova progettazione utile per:

• Identificare possibili problemi

• Ottimizzare il progetto

• Verificare la soluzione

Stazioni esistenti:

• Risoluzione problemi

• Test soluzioni

• Sviluppare stetegie operative

Da slide Xylem

Fenomeni idraulici da evitare

Eccessiva prerotazione

Distribuzione di velocità

all’aspirazione

Presenza di vortici

CFD - Casi studio Xylem

CFD - progettazione di una nuova stazione di pompaggio (Q = 23 mc/s)

Soluzione originale Soluzione ottimizzata

Casi studio Xylem

CFD – ottimizzazione progetto stazione pompaggio

Soluzione originale Soluzione ottimizzata

Casi studio Xylem

setti

Problema: presenza di un vortice ad alto contenuto energetico, che penetra nel corpo pompa

Rumore, vibrazioni, incremento consumi!!

Soluzione : Flygt FSI (Formed Suction Intake)

CFD – ottimizzazione aspirazione

Casi studio Xylem

Brevetto Xylem FSI (Formed Suction Intake)

Stazione Capri - Xylem FSI (Formed Suction Intake)

Casi studio Xylem

CFD – Canale di Panama

CFD – Canale di Panama

Caso studio Xylem su commissione di CIMOLAI

Velocità

Sforzi viscosi

Posizionamento di mixer per evitare problemi di sedimentazione

Es. Il vulcano buono – Nola: problema depressione e vortici

CFD – Solo nell’ingegneria Idraulica? E nel campo dell’Ing Civile?

Progetti di Renzo Piano

Es. Stadio Bari: effetto Venturi, palla deviata!

CFD es codici usati:

Envi-met modello microclimatico (RANS)

OpenFoam

CFD 3D

RANS e LES

Es. risultati tesi su fluidodinamica edifici a corte

Risultati ottenuti Envi-met Tesi Matteo Monari

Risultati ottenuti con Karalit Tesi Giacomo Spano

Fluidodinamica per ottimizzare comfort e prestazioni energetiche di edifici e componenti edilizi

DICAAR – Sez. Idraulica e Architettura

E’ sufficiente la CFD?? Simulazioni sperimentali: servono ancora i modelli di laboratorio??

“It doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you are. If it doesn't agree

with experiment, it's wrong. “

Richard P. Feynman

Simulazioni sperimentali

Analisi dimensionale

Modelli e similitudine

Tecniche di misura

Modelli Laboratorio Idraulica UniCa

Analisi dimensionale Teorema Pi Greco (Buckingham)

n variabili fisiche, j dimensioni fondamentali, K = n-j variabili adimensionali

Abaco Moody

Modelli e similitudine

Similitudine geometrica

Similitudine cinematica

Similitudine dinamica

Modelli e similitudine

Similitudine per forze peso: Froude

Similitudine forze viscose: Reynolds

Attenzione a effetti tensione superficiale: Weber!

Similitudine distorta (es canali)

Tecniche di misura non intrusive: Analisi di immagine

Misura di campi di concentrazione e di velocità

Tecniche di misura non intrusive: Analisi di immagine

Filmato da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Non solo in laboratorio… Es. Stima delle portate in alveo

LSPIV = Large Scale Particle Image VelocimetryC

Modelli laboratorio idraulica UniCA

Dighe

Flussi attorno agli edifici

Da Tesi Paolo Corona

Laser

Telecamera

Modello degli edifici

Specchio

Flussi attorno agli edifici

Da Tesi Paolo Corona

Flussi attorno agli edifici

Da Tesi Paolo Corona

CAMPO DI VELOCITÀ

SFORZI DI REYNOLDS

Flussi attorno agli edifici

Da Tesi Paolo Corona

CAMPO DI VELOCITÀ

SFORZI DI REYNOLDS

Flussi attorno agli edifici

Da Tesi Claudio Didu

CAMPO DI VELOCITÀ

SFORZI DI REYNOLDS

45°

B

H=B

B

H=B

AR = 2

AR = 4

AR = 1 Flussi attorno agli edifici

Da Tesi Claudio Didu

Flussi in ambiente urbano in presenza di vegetazione

Da esercitazioni di idraulica ambientale

Scarichi a mare

Scarichi a mare

Set up sperimentale

Getti Getto semplice

Getto pesante

Strato limite atmosferico

100 200 300 400 500 600

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

x 107

Profilo verticale approssimato

Set up sperimentale

Termiche

Flussi pulsati

• Camera trasparente realizzata in Plexliglas • Piano di separazione

Valvola Sorin Bileaflet Bicarbon

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

o Siamo in corrispondenza del picco diastolico.

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

o Istante corrispondente alla chiusura della valvola

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Da tesi Lucia Albertina Ruopoli

Flussi pulsati

Es Laboratorio biofluidodinamica