Introduzione all’utilizzo del software ommeriale HEC -RASpiccolr/Idrodinamica/HecRas -...

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Introduzione all’utilizzo di Hec-Ras e-mail: [email protected]

Introduzione all’utilizzo del software commerciale HEC-RAS: modello idrodinamico unidimensionale per lo studio di correnti a superficie libera.

Corso di Idrodinamica (a.a. 2015/2016)

Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica Università degli Studi di Trento

S. Piccolroaz

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Inquadramento

È un software gratuito sviluppato da “Hydrologic Engineering Center” del US Army Corps of Engineers.

Utilizzo (base): modellazione idraulica unidimensionale ed in regime di moto permanente di corsi d’acqua naturali o artificiali finalizzata alla definizione dei profili di corrente e alla valutazione delle principali caratteristiche idrauliche nelle varie sezioni (es: evidenziare le

criticità di un reticolo idrografico ed individuare/perimetrare le aree allagabili, per un’assegnata portata di

progetto)

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Inquadramento

È un software gratuito sviluppato da “Hydrologic Engineering Center” del US Army Corps of Engineers.

Utilizzo (base): modellazione idraulica unidimensionale ed in regime di moto permanente di corsi d’acqua naturali o artificiali finalizzata alla definizione dei profili di corrente e alla valutazione delle principali caratteristiche idrauliche nelle varie sezioni (es: evidenziare le

criticità di un reticolo idrografico ed individuare/perimetrare le aree allagabili, per un’assegnata portata di

progetto)

Utilizzo (avanzato): modellazione idraulica bidimensionale e in regime di moto vario; modellazione a fondo mobile (trasporto di sedimenti); analisi di qualità delle acque (modello di avvezione-diffusione per temperatura e per le principali sostanze disciolte); verifiche idrauliche specifiche (fenomeni di erosione alle pile di un ponte); realizzazione di mappe di inondazione (supporto GIS)…

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Download

Pagina web: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras

Materiale scaricabile (in inglese): • sofware • manuale d’uso • guida alle applicazioni (esempi) • manuale idraulico (teoria)

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Il modello matematico

Il calcolo dei profili di superficie libera è basato sulla soluzione dell’equazione dell’energia tra due sezioni successive 1 (valle) e 2 (monte)

𝑧2 + 𝑌2 +𝛼2𝑈2

2

2𝑔= 𝑧1 + 𝑌1 +

𝛼1𝑈12

2𝑔+ ℎ𝑒

dove: 𝑧 è la quota del fondo 𝑌 è l’altezza della superficie libera (tirante) 𝑈 è la velocità media nella sezione (𝑈 = 𝑄 Ω , con Ω area bagnata) 𝛼 è il coefficiente correttivo dell’energia cinetica ℎ𝑒 è il termine relativo alle perdite di energia

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Il calcolo dei profili di superficie libera è basato sulla soluzione dell’equazione dell’energia tra due sezioni successive 1 (valle) e 2 (monte)

𝑧2 + 𝑌2 +𝛼2𝑈2

2

2𝑔= 𝑧1 + 𝑌1 +

𝛼1𝑈12

2𝑔+ ℎ𝑒

dove: 𝑧 è la quota del fondo 𝑌 è l’altezza della superficie libera (tirante) 𝑈 è la velocità media nella sezione (𝑈 = 𝑄 Ω , con Ω area bagnata) 𝛼 è il coefficiente correttivo dell’energia cinetica ℎ𝑒 è il termine relativo alle perdite di energia

Questa equazione è valida in condizioni di moto gradualmente variato: variazioni graduali di sezione e di direzione, tali per cui le linee di corrente risultano essere essenzialmente rettiline e parallele tra di loro (si può assumere una distribuzione idrostatica della pressione).

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Il termine ℎ𝑒 è dato dalla somma delle perdite di carico continue (dovute all’attrito, funzione della scabrezza) e delle perdite di carico localizzate per allargamento/restringimento della sezione

ℎ𝑒 = 𝑗 ∙ 𝐿 + 𝑐𝛼2𝑈2

2

2𝑔−𝛼1𝑈1

2

2𝑔

dove: 𝑗 è la pendenza della linea dei carichi totali 𝐿 è la distanza pesata (in funzione della portata che defluisce nell’alveo inciso e nelle porzioni di sezione

laterali) tra le sezioni 1 e 2 𝑐 è il coefficiente di perdita di carico per contrazione/allargamento di sezione


espressione di Manning (n)

𝑗 =𝑄2𝑛2

Ω2𝑅ℎ4/3

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Quando la superficie libera ha una transizione attraverso lo stato critico, l’equazione dell’energia cessa di essere valida (viene meno l’ipotesi di moto gradualmente variato). In questi casi (es: in corrispondenza di ponti, tombini, stramazzi, risalti idraulici ecc.) viene utilizzata l’equazione della conservazione della quantità di moto o relazioni di tipo empirico.


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Quando la superficie libera ha una transizione attraverso lo stato critico, l’equazione dell’energia cessa di essere valida (viene meno l’ipotesi di moto gradualmente variato). In questi casi (es: in corrispondenza di ponti, tombini, stramazzi, risalti idraulici ecc.) viene utilizzata l’equazione della conservazione della quantità di moto o relazioni di tipo empirico. È quindi possibile includere la presenza di opere idrauliche (es: ponti, briglie, stramazzi, sfioratori

ecc.) lungo la rete.


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Schermata che si presenta all’avvio

Iniziare ad utilizzare HEC-RAS

progetto modellazione

geometria moto stazionario

moto vario descrizione del progetto

unità di misura espande la finestra della descrizione del progetto

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Schermata che si presenta una volta definite le informazioni necessarie per la modellazione idraulica.

Iniziare ad utilizzare HEC-RAS

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Preparazione delle simulazioni

• definire il sistema di misura da utilizzare • creare un nuovo progetto (file .prj) • inserire i dati di geometria (file .g01-.g99) • inserire i dati di portata e le condizioni al contorno (file .f01-.f99) • definire i parametri per la soluzione numerica (file .p01-.p99) • eseguire i calcoli idraulici • Verificare la presenza di eventuali errori/avvisi/note • visualizzare i risultati (file .o01-.o99)

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Scelta del sistema di unità di misura

La scelta di default è il sistema consuetudinario statunitense. Scegliere il sistema internazionale di unità di misura (m, kg, s)

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Creazione di un nuovo progetto

File --> New Project …

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File --> New Project … Titolo del progetto

Possibilità di sfogliare tra le cartelle e le partizioni

Lista di eventuali progetti pre esistenti

Nome del file di progetto

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Digitare il nome del progetto e dare l’OK per due volte

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Prima della seconda conferma, verificare il sistema di unità di misura che si sta utilizzando.

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Prima della seconda conferma, verificare il sistema di unità di misura che si sta utilizzando.

Si può controllare anche qui, e può essere cambiato in ogni momento

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Inserimento dati di geometria

Click sull’icona oppure Edit --> Geometric Data…

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Click sull’icona oppure Edit --> Geometric Data…

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Creare una nuova rete idraulica

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Tracciare una linea (continua o spezzata) da monte a valle. Doppio click per terminare.

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Indicare il nome del corso d’acqua e del tratto

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Inserire le sezioni trasversali

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Note: • le sezioni trasversali definiscono la geometria del corso d’acqua; • esse sono definite da punti denominati station (y) e elevation (z), nel piano

perpendicolare al flusso (x); • i punti denominati overbank identificano la separazione tra alveo inciso e

golene/sponde; • la scabrezza è definita attraverso il coefficiente di Manning, sia per alveo

inciso sia per l’area golenale/spondale; • possono essere definiti i valori da attribuire ai coefficienti di espansione e

contrazione (perdite di carico localizzate); • possono essere definite aree della sezione che risultano inattive al deflusso

(obstructions); • possono essere inseriti argini (levees): l’acqua non può andare ad occupare

la parte d’alveo oltre l’argine fino a che questo non viene sormontato;

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Schermata per l’inserimento delle sezioni trasversali

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Per inserire una nuova sezione: Option --> Add a new Cross Section …

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River Station: numero progressivo crescente da valle verso monte

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River Station: numero progressivo crescente da valle verso monte

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Descrizione della sezione

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Co

ord

tra

sver

sale

(y)

LA

SEZ

ION

E È

VIS

TA D

A M

ON

TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

ota

(z)

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Co

ord

tra

sver

sale

(y)

LA

SEZ

ION

E È

VIS

TA D

A M

ON

TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

ota

(z)

Distanza della sezione dalla sezione precedente (in questo caso è 0 perché si tratta della sezione più a valle)

LOB: golena sinistra Channel: alveo inciso ROB: golena destra

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Co

ord

tra

sver

sale

(y)

LA

SEZ

ION

E È

VIS

TA D

A M

ON

TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

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(z)

Coefficienti di Manning (scabrezza)


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Co

ord

tra

sver

sale

(y)

LA

SEZ

ION

E È

VIS

TA D

A M

ON

TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

ota

(z)

Coordinata trasversale di separazione tra golena e alveo inciso


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(y)

LA

SEZ

ION

E È

VIS

TA D

A M

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TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

ota

(z)

Coordinata trasversale di separazione tra golena e alveo inciso


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Co

ord

tra

sver

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(y)

LA

SEZ

ION

E È

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TA D

A M

ON

TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

ota

(z)

Coefficienti di contrazione ed espansione


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Co

ord

tra

sver

sale

(y)

LA

SEZ

ION

E È

VIS

TA D

A M

ON

TE V

ERSO

VA

LLE

Qu

ota

(z)


Per creare la sezione, cliccare Apply Data

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Le stazioni bank sono indicate con un puntino rosso.

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LOB Channel ROB

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Editor grafico

LOB Channel ROB

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Editor grafico Opzioni grafico

LOB Channel ROB

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È possibile aumentare la variabilità della scabrezza della sezione (sia in direzione orizzontale sia in

direzione verticale)

Options --> Horizontal (o Vertical) Variation in n Values …

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È possibile aumentare la variabilità della scabrezza della sezione (sia in direzione orizzontale sia in

direzione verticale)

Options --> Horizontal (o Vertical) Variation in n Values …

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Aggiungiamo una sezione a monte… Se la geometria cambia

Options --> Add a new Cross Section …

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Aggiungiamo una sezione a monte… Se la geometria cambia Se la geometria non cambia

si può evitare l’inserimento manuale delle coordinate


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Aggiungiamo una sezione a monte… Se la geometria cambia Se la geometria non cambia Options --> Copy Current Cross Section …

si può evitare l’inserimento manuale delle coordinate

River Station: numero progressivo crescente da valle verso monte Indicare il numero identificativo della nuova sezione


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La sezione viene copiata tale e quale, e il numero identificativo viene aggiornato..

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La sezione viene copiata tale e quale, e il numero identificativo viene aggiornato.. Ricordarsi di:

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Modificare la descrizione della sezione

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Aggiornare la distanza rispetto alla sezione precedente (a valle) In questo caso le due sezioni sono parallele (assenza di curvature)

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Per applicare le modifiche, cliccare Apply Data

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L’ultimo passaggio richiede la variazione della quota della sezione di monte (in base alla

pendenza del tratto Δ𝑧 = 𝑖𝑓 ∙ 𝐿)

Options --> Adjust Elevations …

Esempio:

𝑖𝑓 = 0.001

Δ𝑧 = 𝑖𝑓 ∙ 𝐿 = 0.001 ∙ 100 = 0.1

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L’ultimo passaggio richiede la variazione della quota della sezione di monte (in base alla

pendenza del tratto Δ𝑧 = 𝑖𝑓 ∙ 𝐿)

Options --> Adjust Elevations …

Esempio:

𝑖𝑓 = 0.001

Δ𝑧 = 𝑖𝑓 ∙ 𝐿 = 0.001 ∙ 100 = 0.1

La quota della sezione viene aggiornata, aggiungendo un valore costante a tutti i punti

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Se non visualizzate per intero il tratto appena creato: View --> set Schematic Plot Extents …

Il tratto del corso d’acqua viene tracciato in modo da unire punti più profondi delle sezioni (thalweg)

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Se non visualizzate per intero il tratto appena creato: View --> set Schematic Plot Extents …

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Potrebbe rendersi necessario aumentare la risoluzione spaziale del tratto analizzato.

Interpolazione tra le due sezioni (infittimento della griglia di calcolo)

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Potrebbe rendersi necessario aumentare la risoluzione spaziale del tratto analizzato.

Interpolazione tra le due sezioni (infittimento della griglia di calcolo)

Dalla finestra Geometric Data Tools --> XS Interpolation … --> Between 2 XS’s …

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Numeri identificativi delle due sezioni tra cui effettuare l’interpolazione

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Precisione adottata nell’interpolazione dei punti delle sezioni (stations e elevations)

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Distanza tra le due sezioni

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Menù a tendina, scegliere tra: Maximum Distance Constant Distance Set Location

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Menù a tendina, scegliere tra: Maximum Distance Constant Distance Set Location Indicare il valore nella casella vicina

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Linee di interpolazione delle golene

Linee di interpolazione dell’alveo inciso

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Linee di interpolazione delle golene

Linee di interpolazione dell’alveo inciso

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Le sezioni interpolate sono indicate con un asterisco e un numero identificativo interpolato.

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Salvataggio del file geometria (file .g01-.g99) File --> Save Geometry Data …

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Inserimento dati di portata

Simulazione in moto permanente Click sull’icona oppure Edit --> Steady Flow Data …

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Simulazione in moto permanente Click sull’icona oppure Edit --> Steady Flow Data …

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In questa finestra vanno inseriti i valori di portata • nella sezione di ingresso (monte) • i contributi di eventuali affluenti lungo la rete.

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Inserimento delle condizioni al contorno

È possibile calcolare più profili contemporaneamente, assegnando più valori di portata.

In questo caso sono stati considerati 3 valori di portata che, ad esempio, possono riferirsi a differenti tempi di ritorno

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È possibile calcolare più profili contemporaneamente, assegnando più valori di portata.

In questo caso sono stati considerati 3 valori di portata che, ad esempio, possono riferirsi a differenti tempi di ritorno

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È un’operazione delicata che richiede una conoscenza approfondita della rete idraulica che si vuole descrivere. Cliccare sul pulsante Reach Boundary Conditions …

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Le condizioni al contorno vanno assegnate sia a monte (upstream) sia a valle (downstream)

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4 tipi differenti di condizioni al contorno:

Quota della superficie libera assegnata (es: fiume che sfocia in mare o lago ecc)

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Condizione critica (es: caduta libera a valle)

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Moto uniforme (deve essere specificata la pendenza)

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Moto uniforme (deve essere specificata la pendenza)

Scala di deflusso (ad ogni portata-flow è assegnato un livello della superficie libera-stage)

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Inserimento dati di portata e condizioni al contorno

Salvataggio del file della simulazione in moto stazionario (file .f01-.f99) File --> Save Flow Data …

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Definizione dei parametri di simulazione

Click sull’icona oppure Run--> Steady Flow Analysis …

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Definizione delle caratteristiche della corrente: Subcritico: assume che la corrente sia lenta su tutto il dominio (Fr<1) Supercritico: assume che la corrente sia veloce su tutto il dominio (Fr>1) Misto: calcolo misto

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Definizione delle caratteristiche della corrente: Subcritico: assume che la corrente sia lenta su tutto il dominio (Fr<1) Supercritico: assume che la corrente sia veloce su tutto il dominio (Fr>1) Misto: calcolo misto

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Alcune opzioni da tenere a mente

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Tolleranze di calcolo: I valori dipendono dalla geometria e dalle caratteristiche idrauliche.

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Calcolo della profondità critica: in fase di analisi dei risultati, può essere utile averlo calcolato su tutto il dominio.

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Eseguire la simulazione

Cliccare sul tasto Compute

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Quando compare questa finestra, la simulazione è conclusa. Cliccare sul tasto Close

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Verificare la presenza di eventuali errori/avvisi/note

Click sull’icona oppure View -> Summary Err,Warn,Notes …

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In questo caso abbbiamo un avviso che indica la necessità di infittire il dominio di calcolo (interpolazione)

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Visualizzazione dei risultati

Per visualizzare i profili trasversali (per ciascuna sezione) Click sull’icona oppure View -> Cross-Sections …

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Legenda

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Legenda

Qui si trovano una serie di opzioni per personalizzare i grafici e renderli leggibili (es: dimensione caratteri)

IMPORTANTE!

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Legenda


Queste frecce permettono di spostarsi da una sezione ad un’altra

IMPORTANTE!

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Per visualizzare il profilo longitudinale Click sull’icona oppure View -> Water Surface Profile …

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Legenda

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Legenda

Scelta dei profili da visualizzare (anche più di

uno contemporaneamente)

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Legenda




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Per visualizzare alcune informazioni generali Click sull’icona oppure View -> General Profile Plot …

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Legenda

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Legenda

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Legenda


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Legenda


Qui si possono scegliere le variabili da visualizzare (es: velocità,

portata, area bagnata, larghezza del pelo libero, Fr, tirante, sforzi al fondo …)

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Per visualizzare la scala di deflusso in ciascuna sezione Click sull’icona oppure View -> Rating Curves …

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Legenda

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Legenda Qui si trovano una serie di opzioni per personalizzare i grafici e renderli leggibili (es: dimensione caratteri)

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Legenda Qui si trovano una serie di opzioni per personalizzare i grafici e renderli leggibili (es: dimensione caratteri)


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Per visualizzare i risultati attraverso una rappresentazione 3D Click sull’icona oppure View -> X-Y-Z Perspective Plots …

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Legenda

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Legenda Queste frecce permettono di spostarsi da una sezione ad un’altra

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Qui si può modificare la prospettiva di visualizzazione del grafico

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Per visualizzare la tabella riassuntiva dei risultati (per singola sezione) Click sull’icona oppure View -> Detailed Output Tables …

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È possibile: • Includere/escludere le sezioni

interpolate • Includere errori, avvisi e note • Modificare il sistema di unità di

misura

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È possibile: • Includere/escludere le sezioni

interpolate • Includere errori, avvisi e note • Modificare il sistema di unità di

misura

È possibile scegliere tra: • Tabella delle principali variabili

calcolate e delle caratteristiche geometrico-idrauliche delle sezioni

• Tabella delle principali variabili idrauliche suddivise tra LOB, Channel e ROB

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Per visualizzare la tabella riassuntiva dei risultati (profilo) Click sull’icona oppure View -> Profile Summary Tables …

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È possibile personalizzare la tabella scegliendo quali variabili visualizzare

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È possibile personalizzare la tabella scegliendo quali variabili visualizzare

È possibile scegliere tra una serie di opzioni tra cui: • Includere/escludere

le sezioni interpolate • Impostazione delle

cifre decimali da visualizzare (!)

• Modificare il sistema di unità di misura

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