A cura di Redazione
La progettazione di una diga richiede, oltre allo studio della resistenza strutturale, anche l’analisi degli aspetti fluidodinamici dell’impianto, molteplici e non banali. Tra questi ad esempio vi sono il funzionamento delle paratoie di sbarramento, la gestione del bacino idrico e la previsione dei fenomeni in caso degli eventi catastrofici più probabili. Di fatto è grazie alla simulazione di questi fenomeni e situazioni che si migliora la sicurezza dell’impianto.
L’analisi fluidodinamica permette di studiare in modo relativamente semplice e accurato questo tipo di fenomeni, nelle loro caratteristiche principali (i.e. le strutture di turbolenza e/o la geometria di efflusso) rispetto alle variabili di interesse (e.g. temperatura, velocità, pressione). Questa tipologia di analisi offre un duplice risultato:
Variazione del livello dell’acqua nello sfioratore della diga.
(sequenza superiore) Frazione di volume del flusso; (sequenza inferiore) Velocità del flusso.
Le visualizzazioni, attraverso grafici e immagini, permettono di osservare in scala globale i campi di distribuzione della variabili principali, cioè calcolate direttamente dalla risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes, o derivate, cioè calcolare tramite la composizione delle principali.
Inoltre, tramite l’analisi del campo di velocità, le visualizzazioni permettono di analizzare in maniera completa ed intuitiva il campo di moto del fluido nel dominio definito, attraverso le streamlines. Infine, tramite l’analisi del campo di pressione, le visualizzazioni permettono di analizzare in maniera semplice ed efficace le forze in gioco, esercitate sulle pareti solide esistenti.
I dati quantitativi calcolati (e le visualizzazioni derivate) hanno quindi un ruolo cruciale in fase di design, nel determinare la fattibilità dei diversi approcci progettuali e soluzioni considerate. Esaminando le visualizzazioni si ottengono preziosi insight sul comportamento complessivo dei fluidi coinvolti, trovando poi riscontro e validazione attraverso i valori numerici stessi calcolati dal software.
Il flusso d’acqua all’interno dell’impianto diga può avere dei tratti in condotta forzata, in cui il flusso occupa completamente la sezione del condotto, ed anche dei flussi tipicamente detti “a pelo libero” quindi con una superficie di interfaccia tra l’acqua e l’aria, superficie non definita a priori ed anzi dipendente dal flusso e dal fenomeno stesso. Il flusso a pelo libero in una diga, in presenza di forte turbolenze e salti di livello (come accade negli sfiori) da poi origine a geometrie di efflusso di difficile previsione, per le quali è necessario impiegare un approccio di tipo multifase nella simulazione fluidodinamica.
Poter modellare un flusso eterogeneo, formato da tratti a pelo libero e tratti in condotta forzata è fondamentale per avere una visione di assieme completa del funzionamento dell’impianto e per simulare correttamente diversi scenari di lavoro senza dover ricorrere ad eccessive ipotesi e/o semplificazioni al contorno.
Modello di assieme di un tratto di un impianto diga, che combina tratti in aria e tratti in condotta chiusa, che possono riempirsi in un transitorio che li vede passare da moto a pelo libero e moto in condotta forzata.
Per incrementare la sicurezza e l’affidabilità di una diga è inoltre importante simulare il flusso durante il transitorio di apertura, chiusura o regolazione delle paratoie. Questa condizione di transitorio può essere ottenuta tramite una portata variabile a valle della paratoia, o in modo più fedele e completo, simulando il movimento di apertura della paratoia stessa, integrando nella simulazione la presenza di un ostacolo solido con posizione e/o orientamento variabile nelle diverse fasi dell’analisi. Tel principali tecniche per fare questo sono (i) le mesh mobili, (ii) le mesh deformabili e (iii) le mesh sovrapposte (overset mesh).
In tutti i casi è possibile simulare un movimento grande o piccolo di un ostacolo, movimento rigido o movimento elastico in caso di corpi deformabili.
Queste tecniche, applicate alla simulazione della diga, permettono di modellare, e successivamente analizzare, il transitorio del fluido dall’istante a paratoie chiuse alla condizione stazionaria a paratoie aperte.
Modelli di analisi durante un transitorio di manovra d’impianto (apertura delle paratoie).
Un ulteriore vantaggio della simulazione fluidodinamica è quello legato al poter valutare modifiche di progetto fra di loro, senza costi aggiuntivi significativi e con la possibilità di valutare qualsiasi aspetto nel medesimo “esperimento” numerico.
Confrontare i risultati di analisi CFD in due o più alternative progettuali è estremamente semplice ed efficiente, sia globalmente sull’intero modello che localmente in alcuni suoi dettagli, confrontando mappe di colore e/o valori numerici calcolati, evidenziando, per ciascuna soluzione, le qualità e le problematiche.
Questa possibilità permette ai progettisti di ottimizzare i propri progetti attraverso un loop di progetto “design-test-improve” veloce ed efficiente, fino al raggiungimento delle prestazioni/specifiche volute.
Midas NFX, è una soluzione completa di analisi strutturale e fluidodinamica, che offre solutori e strumenti avanzati di simulazione CFD in grado di eseguire tutte le tipologie di analisi necessarie nello studio di una diga e dei suoi elementi.
Midas NFX permette di simulare in modo preciso fenomeni complessi, comunque con semplicità grazie ad un ambiente di lavoro user-friendly ed una interfaccia unificata per le diverse tipologie di analisi.
Midas NFX permette simulazioni fluidodinamiche CFD con flussi multifase, fornendo un meshatore built-in e diversi strumenti di post-processing ed estrazione dei risultati di una analisi. Grazie alle funzioni di mesh mobile e di overset-mesh è inoltre possibile simulare l’interazione degli elementi di regolazione e controllo sul flusso, in analisi di transitorio.
Nel processo di progettazione delle dighe, l’analisi CFD del flusso multifase tramite midas NFX offre un vantaggio significativo. Modellando accuratamente le caratteristiche del fluido e simulando il comportamento del flusso durante la movimentazione delle paratoie, il software supporta gli ingegneri nella progettazione delle dighe. La capacità di prevedere la dinamica complessiva del flusso e la possibilità di visualizzare i risultati ottenuti permettono di determinare la fattibilità, e la sicurezza, dei diversi approcci progettuali, come di derivare nuove soluzioni ottimizzate.
Attraverso midas NFX, i progettisti possono quindi aumentare la sicurezza dei loro progetti, andando allo stesso tempo a ridurne costi e tempi.