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
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Idraulica numerica e sperimentale...In sintesi Da presentazione Toffolon •Aumentare la complessità dei modelli e i processi da simulare una selva di dati e di numeri? processi (es
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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
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
Discretizzazione dominio
Differenze finite
Elementi finiti
Tipi di mesh
Conforme Non conforme
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