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

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Presentazione sul tema: "Idrodinamica (a.a. 2011/2012) Moto uniforme negli alvei naturali Marco Toffolon con contributi da presentazioni di Guido Zolezzi Matilde Welber Gary Parker."— Transcript della presentazione:

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

2 Metodo di Engelund

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

4 Sezione composita

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

6 Engelund Calcolo della portata totale in una sezione complessa: metodo delle suddivisioni, o «di Engelund» ipotesi: 1.la pendenza motrice non varia trasversalmente 2.moto uniforme locale in ogni punto della sezione (profilo verticale) 3.raggio idraulico locale 4.nessuna tensione trasmessa tra colonne adiacenti detto anche di Lotter (1933) o di Pavlovskii (1931)

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

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

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

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

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

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

14 Metodo di Horton-Einstein

15 Calcolo della portata totale in una sezione compatta: metodo di Horton–Einstein (1933, 1934) ipotesi: 1.suddivisione in sub-aree con differente scabrezza 2.ogni suddivisione ha la stessa velocità della sezione complessiva e la stessa pendenza motrice 3.moto uniforme locale in ogni sub- area 4.raggio idraulico della sub-area

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

17 Misura della portata e scala di deflusso

18 Scala di deflusso Q = k Y m m 5/2

19 Esponente della scala di deflusso

20 Sezione rettangolare «larga» «stretta» Sezione triangolare

21 Metodi di misura della portata

22 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 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 Mulinelli n: velocità di rotazione misure ad asse orizzontale

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

27 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 Misure nei corsi dacqua problemi pratici… Importante: la batimetria della sezione deve essere nota!

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

30 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 misure Profilo logaritmico velocità media sulla profondità coefficiente di Chézy (semplificazione!) 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 Ouvèze River, Vaison-la-Romaine, South-East France - Flash-flood of September 22nd, 1992 Courtesy of Jérome Le Coz How to safely obtain reliable discharge data for flood conditions? Tagliamento River, Italy

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

39 A new device Hand-held Radar-Doppler device for surface velocity measurements: 1) Remote sensing of surface velocity V SURF 2) Estimation of depth- averaged velocity V AVE 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 V SURF = f (λ– λ, φ ) wave source

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

42 From surface velocity to discharge /3 3) Computation of discharge Q = Σ i A i V AVE,i

43 Field sites Adige Arc-en-Maurienne Drava Eshtemoa Tagliamento Width: 1 ÷ 80 m Discharge: 0.15 ÷ 700 m 3 /s Water depth:0.3 ÷ 4.2 m Slope: 0.13 ÷ 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 Adige river at Ponte S. Lorenzo - Trento Q r. curve Q SVRerror % % % % % % % % % %

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

47 Sezioni di controllo

48 misure Sezioni artificiali di forma nota sezione di controllo:

49 misure Luci e stramazzi

50 misure Soglie di fondo con passaggio per la profondità critica

51 Metodo del sale

52 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! Flow into standing water (lake or reservoir) usually takes the form of an M1 curve. Flow over a free overfall (waterfall) usually takes the form of an M2 curve. A key dimensionless parameter describing the way in which open-channel flow can deviate from normal equilibrium is the Froude number Fr: And therefore the calculation of bed shear stress as 0 = gY i f 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


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