parte 2 Moto uniforme negli alvei naturali

Presentazione sul tema: "parte 2 Moto uniforme negli alvei naturali"— Transcript della presentazione:

1 parte 2 Moto uniforme negli alvei naturali
Idrodinamica (a.a. 2011/2012) Moto uniforme negli alvei naturali Marco Toffolon con contributi da presentazioni di Guido Zolezzi Matilde Welber Gary Parker parte 2

2 Metodo di Engelund

3 Sezione composita CALCOLARE LA SCALA DI DEFLUSSO dov’è il problema?
b2 = 110 m if = 0.001 Ks = 30 m1/3 s-1 Y1 = 5 m b1 = 30 m CALCOLARE LA SCALA DI DEFLUSSO dov’è il problema? qual è? a cosa è dovuto? come si può risolvere?

4 Sezione composita

5 Interazione alveo inciso-golena in sezioni composite
zona di mescolamento (Knight & Hamed, 1984) accelerazione rallentamento

6 metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»
Calcolo della portata totale in una sezione complessa: metodo delle suddivisioni, o «di Engelund» detto anche di Lotter (1933) o di Pavlovskii (1931) ipotesi: la pendenza motrice non varia trasversalmente moto uniforme locale in ogni punto della sezione (profilo verticale) raggio idraulico locale nessuna tensione trasmessa tra colonne adiacenti

7 Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»: distribuzione velocità
la portata totale è data dall’integrale della distribuzione di velocità sulla sezione

8 Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»
la portata totale è la somma dei contributi formulazione adimensionale

9 Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»: discretizzazione
discretizzazione «a blocchi» (esistono altre modalità di discretizzazione)

10 ? Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»: sezioni ideali
rettangolare con grandezze globali: triangolare ? con grandezze globali:

11 Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»: resistenza totale
(per ogni elemento) componente della forza peso resistenza equilibrio Resistenza totale Tensione media (come da stima globale)

12 Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»: coefficiente di resistenza
(Chézy adimensionale) (Gauckler-Strickler) (formulazione in termini globali) (conduttanza media)

13 Metodo delle suddivisioni, o «di Engelund»:
coefficienti di ragguaglio di Coriolis Quantità di moto Energia triangolare

14 Metodo di Horton-Einstein

15 metodo di Horton–Einstein (1933, 1934)
Calcolo della portata totale in una sezione compatta: metodo di Horton–Einstein (1933, 1934) ipotesi: suddivisione in sub-aree con differente scabrezza ogni suddivisione ha la stessa velocità della sezione complessiva e la stessa pendenza motrice moto uniforme locale in ogni sub-area raggio idraulico della sub-area

16 Metodo di Horton– Einstein
(velocità costante) Area totale: a parità di contorno bagnato, sub-aree più scabre (ks minore) influenzano aree maggiori Scabrezza equivalente: da utilizzare nella relazione di moto uniforme

17 Misura della portata e scala di deflusso

18 Scala di deflusso m ≈ 5/2 Q = k ∙Ym

19 Esponente della scala di deflusso

20 Sezione rettangolare «larga» «stretta» Sezione triangolare

21 Metodi di misura della portata

22 Metodi di misura della portata
misure Metodi di misura della portata integrazione spaziale del campo di velocità (richiede la conoscenza della sezione) misura del livello in sezioni di controllo (richiede condizioni geometriche particolari) metodi globali («sale») Misura della velocità misure puntuali o di un volume di controllo (mulinelli, elettromagnetici, ADV) profilatori (ADCP)

23 Problema alle portate alte
Misure di portata Standard: con mulinelli Problema alle portate alte (e alte velocità) Si può misurare il livello della superficie libera con sonde di pressione

24 Geometria della sezione
Stazione totale Granulometria: “gravelometro”

25 misure Mulinelli n: velocità di rotazione ad asse orizzontale

26 mulinello a coppe (di Price) ad asse ortogonale alla corrente
misure mulinello a coppe (di Price) ad asse ortogonale alla corrente

27 Misuratori elettromagnetici
misure Misuratori elettromagnetici basati sulla legge di Faraday (induzione magnetica): un flusso elettricamente conduttivo posto in un campo magnetico induce una differenza di potenziale proporzionale alla velocità del fluido

28 Misure nei corsi d’acqua
problemi pratici… Importante: la batimetria della sezione deve essere nota!

29 Misuratori ad ultrasuoni: ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)
misure Misuratori ad ultrasuoni: ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) basati sull’effetto Doppler ADV (puntuale) ADCP (esteso)

30 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler):
misure ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler): misura del campo di velocità (transetto)

31 misure ADCP mobile

32 Adige a Trento, ponte San Lorenzo

33 Adige a Bronzolo

34 misure Stime integrali

35 Profilo logaritmico (semplificazione!) velocità media sulla profondità
misure Profilo logaritmico (semplificazione!) velocità media sulla profondità coefficiente di Chézy velocità adimensionale velocità «0.4» (40% di Y dal fondo) velocità « »

36 Use of Surface Velocity Radar (SVR) for discharge estimations
Matilde Welber, Fabio Piazza, Martino Salvaro, Guido Zolezzi and many others...

37 Challenging field conditions
How to safely obtain reliable discharge data for flood conditions? Tagliamento River, Italy Ouvèze River, Vaison-la-Romaine, South-East France - Flash-flood of September 22nd, 1992 Courtesy of Jérome Le Coz

38 Methods for discharge estimations
1) Rating curves: + safety - uncertainties 2) Direct velocity measurement: + reliability - safety 3) Non-contact techniques: + safety – cost .... but there are new devices

39 A new device Hand-held Radar-Doppler device
for surface velocity measurements: 1) Remote sensing of surface velocity VSURF 2) Estimation of depth- averaged velocity VAVE 3) Computation of discharge Q

40 From surface velocity to discharge /1
1) Remote sensing of surface velocity: - Radar wave retrodiffusion by free-surface roughness - Doppler-shift analysis Velocity projection VSURF = f (λ’– λ, φ) wave source

41 From surface velocity to discharge /2
2) Estimation of depth-averaged velocity: VAVE  V (0.4 Y) =  VSURF Z VSURF Y VAVE To be determined; from literature  = 0.85 V

42 From surface velocity to discharge /3
3) Computation of discharge Q = Σi Ai VAVE,i

43 Field sites Adige Arc-en-Maurienne Drava Eshtemoa Tagliamento
Width: 1 ÷ 80 m Discharge: ÷ 700 m3/s Water depth: 0.3 ÷ 4.2 m Slope: ÷ 2 %

44 Comparison of survey techniques for velocity:
- good agreement between SVR data (surface) and mechanical current meter data (40% of depth)

45 Reliability of discharge data
- good agreement between SVR data and rating curve - opportunity to calibrate the rating curve for high discharges Q r. curve SVR error 105.0 125.6 19.7% 152.0 163.6 7.6% 186.0 178.4 4.1% 208.0 218.4 5.0% 227.0 235.8 3.9% 250.0 258.5 3.4% 340.0 347.0 2.1% 423.0 427.5 1.1% 640.0 623.9 2.5% 697.0 709.1 1.7% Adige river at Ponte S. Lorenzo - Trento

46 Effect of averaging area
- accurate discharge computation allowed by few velocity measures per cross-section

47 Sezioni di controllo

48 Sezioni artificiali di forma nota
misure Sezioni artificiali di forma nota sezione di controllo:

49 misure Luci e stramazzi

50 Soglie di fondo con passaggio per la profondità critica
misure Soglie di fondo con passaggio per la profondità critica

51 Metodo del “sale”

52 Misura della concentrazione nota la massa scaricata
misure Misura della concentrazione nota la massa scaricata  Idraulica Ambientale (2° anno LM)

53 Final remarks

54 BUT NOT ALL OPEN-CHANNEL FLOWS ARE AT OR CLOSE TO EQUILIBRIUM!
And therefore the calculation of bed shear stress as 0 = gY if is not always accurate. In such cases it is necessary to compute the disquilibrium (e.g. gradually varied) flow and calculate the bed shear stress from the relation Flow over a free overfall (waterfall) usually takes the form of an M2 curve. Flow into standing water (lake or reservoir) usually takes the form of an M1 curve. A key dimensionless parameter describing the way in which open-channel flow can deviate from normal equilibrium is the Froude number Fr: