modellazione numerica e sperimentazioni delle correnti di gravita

MODELLAZIONE NUMERICA E SPERIMENTAZIONI
DELLE CORRENTI DI GRAVITA’ CHE
INTERAGISCONO CON FORME DI FONDO
Relazione di tirocinio di
Flavio Consolo
matricola 281865
Corso ingegneria civile per la protezione dai rischi naturali
Facoltà di Ingegneria
a.a. 2013/14
RELAZIONE FINALE SULL’ESPERIENZA DI TIROCINIO NEL
LABORATORIO DI IDRAULICA, SEDE DIPARTIMENTO DI
INGEGNERIA
L’attività di tirocinio da me svolta presso il laboratorio di idraulica, nella sede di Ingegneria,
aveva come obiettivo principale un’analisi sperimentale riguardante il fenomeno delle
correnti di gravità che interagiscono con forme di fondo e la creazione di un modello
numerico su computer per poter eseguire delle simulazioni del fenomeno.
Gli ambiti attorno ai quali tutto il lavoro si è svolto sono stati:
-Sperimentazioni per comprendere nel dettaglio il fenomeno
- Modellazione numerica e teorica del fenomeno
-Sperimentazioni per il raggiungimento obiettivi prefissati
La funzione principale del laboratorio di idraulica è quello di dare, tramite un ambiente
tecnologico, la possibilità a studenti, professori, ricercatori e dottorandi di confutare e
verificare in modo pratico le loro ricerche e studi effettuati.
Come si è svolto il tirocinio
I tutor che mi hanno seguito in questa attività sono il professore Pietro Prenstininzi,
Docente dell’università Roma 3, e la dott.ssa Valentina Lombardi, responsabile tecnico di
laboratorio.
Innanzitutto prima di iniziare qualsiasi lavoro i tutor mi hanno spiegato in modo chiaro le
attività che il laboratorio svolge nel campo di ricerca delle correnti di gravità, affinché io
avessi un quadro completo dell’ambiente.
In questo modo ho potuto contestualizzare le attività che avrei dovuto svolgere durante il
periodo di tirocinio e capire meglio gli obiettivi che avrei dovuto raggiungere.
Il tirocinio ha avuto inizio l’8 Maggio e concluso il 9 Ottobre 2014.
Il lavoro, la cui durata, ammontava a 150 ore, è stato quindi da me organizzato in 16
settimane.
In che modo è stato organizzato il lavoro
Il primo passo per attuare gli obiettivi preposti è stato produrre un percorso con
tempistiche definite, così da avere come guida una buona organizzazione del lavoro con
precisi obiettivi intermedi da raggiungere. Questo progetto, consigliatomi dal mio tutor, mi
è stato molto utile al fine di mantenere costanti nella mia mente il metodo di lavoro e gli
obiettivi generali.
FASE 1: Come si effettua una prova sperimentale
La dott.ssa Lombardi mi ha fatto visionare il materiale essenziale per la realizzazione di
una prova e nelle prime settimane ho seguito il tecnico di laboratorio nelle diverse prove,
per capire affondo come utilizzare tutta l’attrezzatura.
I materiali utilizzati in questa tipologia di prova sono stati:
-Canaletta:Realizzata in materiale plexiglass, di lunghezza 3 m, larghezza 0,25 m, altezza
0,40m.Utilizzata per generare sperimentazioni di tipo Lock exchange flows bidimensionali
delle correnti di gravità.
Fig.1 canale per simulazioni di tipo Lock exchange flows
- Picnometro: per misurare le densità
Fig.2 Picnometro
-bilancia elettronica: misurazioni di peso
Fig.3 Bilancia
elettronica Mark 6045 della
Bel Engineering
-telecamera digitale: per acquisizione dell’immagine
Figura 4 – La telecamera Sony XC-77 CE
Dopo la visione della strumentazioni ho collaborato con la dott.ssa Lombardi all’esecuzioni
di alcune prova, per avere la possibilità di comprendere in pieno lo svolgimento di una
prova sperimentale.
I passi da seguire per svolgere una prova efficacemente sono:
1. Montaggio di uno sfondo color nero sulla canaletta. Quest’ultimo serve per limitare il
riflesso della luce indotta dal materiale plexiglass e da più contrasto alla corrente.
2. Definizione del Lock ed inserimento del setto, essendo una sperimentazione di tipo
Lock exchange flows
3. Ai bordi interni ed esterni è stata applicata vasellina per sigillare il Lock ed evitare
interazioni tra i fluidi.
4. È stato calcolato il quantitativo di sale da aggiungere affinchè la differenza di
densità tra i fluidi fosse quella prefissata.
5. Posizionamento della telecamera.
6. Riempimento con acqua della canaletta e del Lock.
Fig.5 riempimento con tubo ramificato. Nelle prove con inserimento di ostacolo si voleva avere nella fase di
riempimento un equilibrio di spinta in entrambi i lati, per evitare fenomeni di slittamento dell’ostacolo.
7. Inserimento di sale e colorante all’interno del Lock. Utilizzo di colorante blu per
facilitare la successiva analisi dell’immagine.
Fig.6 Diffusione del colorante all’interno del Lock.
8. Estrazione del setto e avvio della prova.
RISULTATO
Il risultato ottenuto in questo periodo di prove è stato una buona conoscenza dell’apparato
sperimentale e della procedura Lock exchange flows in un canale rettangolare e la
conoscenza sufficiente per realizzare in completa autonomia le cosiddette prove.
Anche se il fenomeno con questo modello sperimentale viene schematizzato bene, si è
riscontrata una problematica nell’acquisizione dell’immagine con telecamera a colori, per
questo si è pensando di fare opportune modifiche allo sfondo utilizzato.
FASE 2: Analisi dell’immagine
Nelle successive settimane mi sono concentrato sull’analisi dell’immagine cioè l’utilizzo dei
programmi di calcolo, per la manipolazione video.
Fig.7 tramite l’analisi dell’immagine è stato possibile estrarre due grafici che descrivono il comportamento del fronte
della corrente: a sinistra si ha l’andamento del fronte, a destra la velocità del fronte rispetto al tempo.
FASE 3: Realizzazione ostacolo
In questa fase occorreva la realizzazione di un ostacolo da inserire all’interno della
canaletta per analizzare l’interazione con la corrente; alla fine la scelta è stata di
realizzare un ostacolo piramidale a base rettangolare avente queste caratteristiche:
- Angolo 40°
-Base 0,35 m
- Profondità 0,25 m
- Altezza 0,10m
- Ipotenusa 0,20 m
Fig.8 Risultato finale della progettazione e realizzazione della piramide, la sua facciata e stata colorata di rosso per
dare più contrasto tra l’ostacolo e la corrente.
Per realizzare il triangolo sono stati tagliati ed incollati tra di loro tre pannelli in forex
(materiale poco scabro che limita l’attrito) spessi un centimetro.
FASE 4: sperimentazioni con ostacolo
Sono state svolte un set di prove con un inserimento dell’ostacolo piramidale.
Per dare migliorie al video è stata creata una lampada da mettere dietro uno sfondo di
carta velina.
Fig.9 Lampada realizzata con una struttura in ferro e due lampade a tubo LD di lunghezza 1,5 m cadauna.
Il risultato del video si presta ad una buona lettura nella fase di programmazione.
Fig.10 Risultato ottenuto dall’estrazione dei frame dal video
FASE 5: Modello teorico e definizione dei parametri
È stata studiata ed elaborata una teoria che si presta a soddisfare gli obiettivi prefissati,
cioè fare in modo che la corrente raggiunga il punto di picco dell’ostacolo senza che essa
lo superi.
Una volta elaborata la teoria sono stati definiti i parametri e si è deciso di effettuare un
ulteriore prova per confutare il modello teorico.
I risultati sono stati ottimi, la prova ha dimostrato i risultati previsti dal modello teorico.
Fig.11 Frame nel quale la corrente raggiunge il punto di picco e non riesce a superare l’ostacolo.
FASE 6: Modello numerico
Come ultima fase si voluto verificare l’efficacia di un modello numerico (modello reticolare
di Boltzmann).
Una volta elaborato su computer il modello si sono confrontati i risultati delle
sperimentazioni con il modello
Fig.12 modellazione numerica di una corrente di gravità
Fig.13 modellazione numerica di una corrente che interagisce con l’ostacolo piramidale
Fig.14 confronto della modellazione numerica e della prova sperimentale prima dell’impatto con l’ostacolo
Fig.15 confronto della modellazione numerica e della prova sperimentale dopo l’impatto con l’ostacolo
I risultati sono stati eccellenti il modello risulta approssimare molto bene le sperimentazioni
svolte in questo periodo di tirocinio
Valutazione finale dell’attività di tirocinio
Le idee che ho proposto per raggiungere l’obiettivo prefissato sono state accettate con
entusiasmo ma con qualche suggerimento proveniente dal tecnico e dal professore, in
particolare per la fase di programmazione.
L’esperienza di tirocinio nel Laboratorio di Idraulica è stata, quindi, molto produttiva, in
quanto ho avuto la possibilità di realizzare in concreto le idee della tesi riguardo il
raggiungimento dell’obiettivo che mi sono posto, anche con l’aiuto degli studi fatti nei due
anni del corso di laurea di ingegneria civile per la protezione dai rischi naturali.
L’esperienza è stata istruttiva, inoltre, dal punto di vista dell’ambiente lavorativo: la
gestione autonoma della maggior parte del lavoro propostomi mi ha responsabilizzato,
permettendomi di inserirmi all’interno della vita lavorativa del Laboratorio.
La libertà di gestione che mi ha consentito di produrre tutte le idee e le ipotesi che ho
formulato riguardanti la modellazione teorica e le modalità di realizzazione anche grazie al
sostegno del tecnico di laboratorio e del professore.