La conoscenza approfondita della circolazione oceanica e costiera è fondamentale per la comprensione di una serie di processi ad essa strettamente correlati, tra cui ad esempio i fenomeni di inquinamento marino ovvero i processi di diffusione e trasporto di inquinanti sia superficiali che disciolti. In letteratura, si definiscono questi problemi "di campo lontano", cioè dipendenti principalmente dalle caratteristiche del campo di moto del corpo recettore e non da quelle idrodinamiche degli scarichi stessi.
In particolare, alla luce delle più recenti normative, come il D.L. n.152/99, che vieta lo scarico diretto nelle acque sotterranee e nel sottosuolo, emerge la necessità e l'urgenza di uno studio delle correnti di circolazione, al fine di consentire alle autorità locali competenti una programmazione ragionata dello smaltimento di acque reflue in mare.
Su queste tematiche si stanno conducendo studi presso il Laboratorio, grazie anche alla realizzazione dell'impianto sperimentale per lo studio della diffusione di getti di densità in corpi idrici e alla acquisizione a strumentazioni innovative di laboratorio e di campo.
Un altro aspetto studiato nel progetto è stata l'interazione tra una corrente e la scabrezza del fondo. In particolare, con diverse prove sperimentali, si è analizzato la turbolenza nella corrente in assenza e presenza di macroscabrezze e vegetazione.
Il Progetto fu finanziato nell'anno 2000 dal consiglio di Amministrazione del Politecnico di Bari con circa € 90.000, utilizzati negli anni successivi per realizzare il canale per lo studio della diffusione dei Getti.
Coordinatori
Coordinatori e collaboratori del progetto
- Prof. Ing. Antonio Felice Petrillo
- Prof. Ing. Michele Mossa
- Prof. Ing. Peter Davies
- Ing. Daniela Malcangio
- Ing. Mouldi Ben Meftah
Casi di studio
Durante il progetto sono stati affrontati 4 casi di studio per analizzare differenti tipologie di getti con differenti condizioni al contorno.
- Primo caso di studio
- Secondo caso di studio
- Terzo caso di studio
- Quarto caso di studio
- Quinto caso di studio
- Sesto caso di studio
Primo caso: Studio sperimentale sull'interazione tra un getto puro ed onde
Il primo caso di studio sui getti, sviluppato durante il Dottorato del Prof. Ing. Michele Mossa, è stato condotto presso il Laboratorio di Idraulica del Dipartimento di Ingegneria delle Acque e di Chimica (DIAC) ed ha interessato il confronto tra un getto interagente con un campo di moto ondoso e lo stesso getto immesso in un campo di liquido in quiete. Dallo studio è risultato un evidente effetto di maggior diluizione del getto in presenza di moto ondoso, come confermato in letteratura. Il canale sperimentale utilizzato è lungo circa 45 m e ampio 1 m con pareti di vetro alte 1,2 m, supportate da una struttura metallica con una distanza centro-centro di 0,44 m, dove possono essere poste sonde per la misura del profilo delle onde. Durante i test, la profondità dell'acqua in quiete vicino alle pale era di 0,8 m.
L'interazione tra getto ed onda, si manifesta con un chiaro spreading del getto se comparato al caso di getto diffuso in acqua in quiete.
Le analisi hanno permesso di confermare le ipotesi di CHYAN e Hwung (1993), circa l'esistenza di tre differenti regioni nell'area di interazione tra getto ed onda partendo dall'ugello:
- regione di deflessione: la quantità di moto del getto prevale sulla quantità di moto indotta dall'onda. In questa regione le immagini mostrano un'oscillazione periodica del getto che preserva una sua identità a causa della sua rigidità.
- regione di sviluppo del getto: il fluido circostante è soggetto al meccanismo di attrazione del getto, prodotto dal movimento ondoso, seguito dal fenomeno di intrappolamento, dovuto alla fluttuazione periodica.
- regione di transizione: tra le due regioni citate il comportamento del getto è intermedio.
I risultati ottenuti fanno pensare che l'interazione getto-onda analizzata sia, essenzialmente, connessa alle componenti orizzontali della velocità del fluido circostante:
- Le componenti di velocità, dell'acqua a basse e medie profondità, mostrano una maggiore ampiezza di oscillazione delle corrispondenti componenti verticali.
- L'aumento della diluizione è connessa all'interazione del getto con le componenti di velocità dell'onda.
- Calabrese e Di Natale (1994) hanno dimostrato che nel caso in cui gli assi del getto coincidano con una sezione nodale, i profili di velocità sono notevolmente appiattiti e il tasso di spreading del getto è più elevato di quello dello stesso getto in un ambiente in quiete.
Conclusioni del primo caso di studio
- Le componenti oscillanti di velocità orizzontali e verticali (connesse al contributo statistico del campo di moto ondoso) non sono sempre non correlate, come invece sarebbero nel caso di ipotesi nella quale fossero descritte dalla teoria di Airy e di Stokes al II ordine
- Nella regione di deflessione i profili di velocità si appiattiscono con il decrescere del periodo dell'onda
- Nelle regioni più lontane dall'ugello, i profili di velocità della componente longitudinale, mostrano la presenza di due picchi
- I profili della componente trasversale di velocità, presenti raramente in letteratura, evidenziano l'esistenza di un flusso di trascinamento nei casi sia di getto in ambiente in quiete che di getto in ambiente in presenza di moto ondoso
- Le analisi degli spettri delle componenti di velocità dei getti in ambiente in presenza di moto ondoso evidenziano dei picchi a frequenze uguali a quelle del campo di moto ondoso con il quale interagiscono
- I risultati sperimentali permettono di concludere che la regione di deflessione è caratterizzata da un valore di r>50 e che la regione di sviluppo del getto è caratterizzata da r<5
Secondo caso: Getto di densità in presenza di fondo corrugato
Lo studio, sviluppato durante il Dottorato dell'Ing. Daniela Malcangio, è stato condotto al fine di esplicare la dipendenza dei getti di densità dalla turbolenza di fondo e per migliorare la conoscenza dei processi fisici che determinano la loro diluizione. La turbolenza di fondo è stata generata all'interno di un corpo recettore per mezzo di due superfici corrugate, di conosciuta lunghezza d'onda e ampiezza, fissate sul fondo del canale. Le caratteristiche della turbolenza generata nel fluido circostante sono state analizzate allo scopo di trovare una caratteristica scala di lunghezza dei vortici di turbolenza associati con il flusso sopra la superficie rugosa e il suo effetto sulla struttura del getto di densità. Durante l'esperimento sono stati raccolti dati sulla velocità e sulla temperatura al fine di ottenere la struttura spaziale della temperatura e i profili di velocità.
Per ogni configurazione indagata gli obbiettivi erano:
- comparare la miscelazione di un getto di densità all'interno di un fluido con una superficie liscia o rugosa
- identificare una distorsione della struttura del getto per la presenza di una turbolenza di fondo generata dal fondo corrugato
- quantificare la distorsione e parametrizzarla
Le attrezzature utilizzate comprendevano:
- un canale rettangolare lungo 15 m, largo 4 m e profondo 0.40 m
- una vasca di riscaldamento lunga 1.50 m, larga 1 m, profonda 1 m, con una capacità totale di 1,5 mc e quattro resistenze di 12.500 W per riscaldare l'acqua alla temperatura richiesta (max 90°C)
- una vasca di carico con escursione tra 0.85 m e 4.9 m.
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Terzo caso: Influenza di una regione di turbolenza localizzata sullo sviluppo strutturale di un getto di densità turbolento
Il caso di studio riguardava l'interazione di un getto libero turbolento con una turbolenza in una regione localizzata bidimensionale distante dalla sorgente del getto. La turbolenza localizzata è generata meccanicamente all'interno del fluido attraverso l'oscillazione verticale di una griglia orizzontale.
Di interesse specifico erano le condizioni sotto le quali la struttura del getto era compromessa significativamente dall'incontro con la turbolenza localizzata. Una serie di tentativi sono stati fatti per determinare, per mezzo di esperimenti di laboratorio, la distanza tra la sorgente e la posizione per la quale avvenisse l'alterazione dello spreading del getto turbolento.
Misure della locazione del punto di rottura del getto, rilevate attraverso (i) una significativa e localizzata crescita dell'angolo di spreading e (ii) la simultanea decrescita e crescita della magnitudo, rispettivamente, delle componenti della velocità assiale e orizzontale del campo di moto, confermano le predizioni che il getto è distrutto significativamente dalla turbolenza di fondo quando l'intensità della turbolenza è dello stesso ordine dell'intensità del getto.
Gli obbiettivi principali erano:
- determinare per mezzo di esperimenti di laboratorio le condizioni sotto le quali la struttura di un getto di densità libero è modificata significativamente a causa di una turbolenza di fondo localizzata
- identificare la/e locazione/i dove l'integrità del getto è distrutta dalla turbolenza
- sviluppare una scala teorica per la comparazione con dati di laboratorio al fine di sviluppare predizioni quantitative circa le locazioni del breakdown per getti e turbolenze con caratteristiche conosciute.
Quarto caso: Studio di getti di quantità di moto in presenza di vegetazione
Il quarto caso di studio è stato sviluppato durante il Dottorato del Ing. Mouldi Ben Meftah. L'apparato sperimentale utilizzato fa parte della strumentazione del laboratorio presente all'interno del DIAC.
Lo studio ha analizzato il comportamento di un getto di quantità e quindi dei meccanismi di diluizione e diffusione, i quali, oltre a dipendere dalle caratteristiche geometriche e dai parametri idraulici iniziali del getto stesso, sono funzione di tutta una serie di fattori ambientali che riguardano il corpo idrico ricettore (presenza di correnti e loro direzione rispetto all'asse del getto, stratificazione della densità, moto ondoso, scabrezza, vegetazione, ecc.). In particolare, sono stati presi in considerazione due di questi fattori ambientali: l'azione della corrente trasversale e la presenza di vegetazione. Per valutare i meccanismi di diffusione e l'altezza di penetrazione all'interno del fluido ambiente sono stati analizzati nel dettaglio i campi medi di concentrazione e velocità lungo il piano longitudinale centrale del canale ed, inoltre, è stata condotta un'analisi della turbolenza, attraverso le distribuzioni spaziali degli indici di turbolenza.
Per ricreare la vegetazione sono state usate degli steli metallici di 3mm di diametro posti a distanza di 5 cm l'uno dall'altro con una densità di 400 steli per mq:
Per valutare gli effetti della presenza della vegetazione sul moto del getto, l'esperimento è stato suddiviso in 3 fasi:
Conclusioni del caso di studio:
Quindi dall'analisi e dal confronto dei risultati è emerso che:
- l'azione di una corrente uniforme sulla struttura del getto consiste fondamentalmente in una inflessione nella direzione del campo di moto esterno;
- la presenza della vegetazione emergente influenza tanto il campo di moto medio quanto le caratteristiche di turbolenza; in particolare, rispetto alla presenza della sola azione della corrente trasversale, le strutture turbolente del getto diventano più complesse mentre l'altezza di penetrazione e la diluizione aumentano sensibilmente.
Quinto caso: Interazione tra getto di densità e vegetazione
Per il quinto caso di studio è stato utilizzato l'apparato sperimentale presente al LIC. Analogamente al caso di studio precedente è stato analizzato il comportamento di un getto, in questo caso di densità che oltre a dipendere dalle caratteristiche geometriche e dai parametri idraulici iniziali del getto stesso, sono funzione di tutta una serie di fattori ambientali che riguardano il corpo idrico ricettore (presenza di correnti e loro direzione rispetto all'asse del getto, stratificazione della densità, moto ondoso, scabrezza, vegetazione, ecc.). In particolare, sono stati presi in considerazione due di questi fattori ambientali: l'azione della corrente trasversale e la presenza di vegetazione. Per valutare i meccanismi di diffusione e l'altezza di penetrazione all'interno del fluido ambiente sono stati analizzati nel dettaglio i campi medi di concentrazione e velocità lungo il piano longitudinale centrale del canale ed, inoltre, è stata condotta un'analisi della turbolenza, attraverso le distribuzioni spaziali degli indici di turbolenza.
Per ricreare la vegetazione sono state usate degli steli metallici di 3mm di diametro posti a distanza di 5 cm l'uno dall'altro con una densità di 400 steli per mq:
L'analisi e il confronto dei risultati evidenziano che:
- l'azione di una corrente uniforme sulla struttura del getto consiste fondamentalmente in una inflessione nella direzione del campo di moto esterno;
- la presenza della vegetazione emergente influenza tanto il campo di moto medio quanto le caratteristiche di turbolenza; in particolare, rispetto alla presenza della sola azione della corrente trasversale, le strutture turbolente del getto diventano più complesse mentre l'altezza di penetrazione e la diluizione aumentano sensibilmente.
Sesto caso: Osservazioni sperimetali su risalti idraulici ondulati con elevato coefficiente di forma
Punti salienti della ricerca:
- Osservazioni su risalti idraulici ondulati con elevato coefficente di forma sono molto rari in letteratura
- La disponibilità di un canale molto largo (4 m) permetteva diversi lavori sperimentali su questo topic
- Sono state investigate 7 differenti configurazioni con risalti idraulici
Obbiettivi dello studio:
- Analisi delle condizioni di moto su risalti idraulici in canali molto larghi;
- Analisi della shock wave laterale attraverso la comparazione dei risultati della presente ricerca con i casi classici di shock wave generata quando un flusso supercrtitico è deflesso da una parete verticale (Ippen, 1951), al fine di valutare la validità sperimentale della teoria della shock wave in canali ampi senza alcuna restrizione.
Apparato strumentale a disposizione:
- Canale rettangolare in acciaio e vetro (lunghezza 15 m, ampiezza 4 m, profondità 0,4 m)
- Circuito idraulico chiuso
- 2 flussometri elettromagnetici
Dai test effettuati si rileva che:
- Le shock waves laterali sono il risultato dell'interazione della distribuzione della pressione e degli strati limite laterali;
- Lo strato limite di parete è soggetto ad un improvviso e avverso gradiente di pressione, che causa una rapida decelerazione della velocità del flusso vicino alla parete e conseguente separazione;
- Un vortice di grande dimensione con flusso inverso e punto di distacco è osservabile immediatamente dietro le shock wave laterali vicino alle parete.
Fronte trapezoidale del risalto idraulico:
Shock waves laterali con zona di circolazione:
Conclusioni del caso di studio:
- E' stata osservata la presenza di una chiara e sviluppata shock wave laterale simile a quelle dei risalti obliqui.
- E'stata analizzata la validità della teoria classica della shock wave. La comparazione tra risultati sperimentali e shock wave teoriche mostrano che la teoria classica sembra essere sufficientemente confermata, tenendo conto degli errori sperimentali.
- La legge di Ohtsu et al. (2001) dell'altezza d'onda della prima cresta è confermata anche in canali molto larghi.
Sviluppo di una nuova trappola orizzontale per i sedimenti: i test di calibrazione nel canale
L'argomento trattato è la valutazione dei flussi orizzontali di particelle in ambiente fortemente turbolento, dove le intense correnti, generalmente, non permettono alle particelle di sedimentare, ma causano un consistente movimento orizzontale delle stesse particelle. Solo pochi studi hanno trattato tale problematica considerando i vortici che si formano in prossimità delle trappole sedimentarie e l'efficienza delle stesse.
Per lo studio è stato utilizzato il canale presente al LIC. La profondità dell'acqua è stata per l'intera durata dell'esperimento 25 cm con afflusso d'acqua pari 89 l/s.
La trappola sedimentaria, interamente in rame e con una specifica forma geometrica, era lunga 130 cm, ampia 18 cm e profonda 10 cm.
I profili delle componenti longitudinali di velocità, lungo l'asse centrale della trappola, sono stati misurati per differenti sezioni con un sistema ADV (Acoustic Doppler Velocimeter). I parametri di acquisizione erano un tempo di campionamento di 200 sec con una frequenza di acquisizione di 25 Hz.
Mappa della distribuzione delle velocità e spettro della componente longitudinale delle velocità:
Vortici ed eddy all'interno della trappola sedimentaria e previsione dell'idrodinamica:
Conclusioni del caso di studio
- La distribuzione spaziale della velocità longitudinale, all'interno della trappola sedimentaria, dimostra bene l'intensità asimettrica delle fluttuazioni della velocità, con il massimo nel lato di entrata ed un minimo al centro della trappola;
- l'analisi dello spettro delle velocità confermano l'asimmetria della turbolenza all'interno della trappola, inoltre, validano la formazione di un vortice e di eddy con circolazione in senso orario dominanti, ai quali si aggiungono piccoli vortici con senso antiorario;
- sono state osservate 2 zone con differenti caratteristiche idrodinamiche. Una zona di sedimentazione, che è localizzata al fondo delle zone a monte e a valle della trappola, e una zona di mixing che occupa il restante spazio;
- dovrebbe essere realizzato uno studio durante il quale fossero misurate le quantità di precipitato per differenti sezioni, al fine di rendere più chiaro il meccanismo di precipitazione.
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