Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica dell'Università della Calabria.

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Author: search.filters.author.Veltri, Paolo

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    Weakly-compressible SPH modeling of fluid-structure interaction problems
    (2016-02-19) Meringolo, Domenico Davide; Veltri, Paolo; Tomasicchio, Roberto G.; Aristodemo, Francesco; Marrone, Salvatore; Macchione, Francesco
    IRISULTATI scientifici presentati nella tesi di dottorato riguardano la modellazione numerica, attraverso la tecnica lagrangiana SPH debolmente compressibile, di problemi di interazione fluido-struttura. Diversi aspetti, sia di natura puramente modellistico fisica che di natura ingegneristica ed applicativa, vengono investigati nella tesi. Nello specifico, parte dei risultati presentati ha come primo obiettivo la validazione del modello numerico, ottenuta attraverso diversi test preliminari: in primis la conservazione della soluzione idrostatica in un serbatoio d’acqua, dopodiché diversi test dinamici in cui viene presentata la conservazione dell’energia, dimostrando come l’energia meccanica dissipata dal sistema venga esattamente trasformata in energia termica. Alcuni aspetti legati all’ipotesi di debole compressibilità adottata alla base del modello SPH considerato, riguardanti l’istantaneo accumulo di energia elastica durante impatti, vengono già messi in luce in questa parte della tesi. I test dinamici svolti riguardano dunque l’evoluzione nel tempo di una massa d’acqua di forma circolare sottoposta ad un campo di forze centrale che periodicamente evolve in forme ellittiche, l’analisi dell’evoluzione di diversi casi di dam-break e l’evoluzione nel tempo di un fenomeno di tracimazione di un ostacolo orizzontale investito dal moto ondoso. Uno degli argomenti centrali della tesi di dottorato riguarda l’analisi dell’interazione di onde con strutture costiere come cassoni forati. I cassoni forati sono strutture marittime ampiamente utilizzate nelle zone portuali con l’obiettivo di minimizzare dell’energia riflessa del moto ondoso al fine di limitare oscillazioni di grande ampiezza dovute alla sovrapposizione di onde incidenti e riflesse, garantendo quindi, durante le mareggiate, condizioni di sicurezza per la navigazione. Suddette strutture sono state studiate, fino ad ora, essenzialmente attraverso modelli approssimati ed analisi sperimentali, mentre l’utilizzo di un modello numerico di dettaglio è stato raramente impiegato per il loro dimensionamento. In questo contesto, il modello SPH è stato implementato per studiarne nel dettaglio il comportamento idraulico e di stabilità strutturale. In particolare, durante le analisi numeriche si è andati incontro a difficoltà sia di natura computazionale che di natura modellistica nella loro simulazione. Una prima difficoltà è consistita nella riproduzione numerica dei muri verticali forati che costituiscono la parete frontale di queste strutture in quanto, essendo spesso caratterizzati da spessori sottili, rendono la simulazione computazionalmente onerosa nel contesto numerico SPH. In questo contesto vengono introdotte le multi-node fixed ghost particles, che consentono di poter utilizzare un numero totale di particelle pari ad (1=2)D, in cui D è il numero di dimensioni spaziali del problema, il numero totale di particelle altrimenti necessario. Nelle analisi effettuate relative a cassoni pienamente e parzialmente forati, in cui D = 2, il risparmio in termini di tempo di calcolo è stato rispettivamente del 79,5% e del 77.7 %. Un altro aspetto modellistico cui si è andati incontro nella simulazione dei problemi considerati è legato alla presenza di rumore nel campo di pressione ottenuto dalla soluzione SPH, che porta in molti casi a risultati difficilmente utilizzabili ai fini ingegneristici. Questo aspetto, che viene investigato in dettaglio nell’ultima parte del lavoro di tesi, è legato alla componente acustica della soluzione fornita dai modelli in cui il fluido è supposto essere debolmente compressibile. Nel tentativo di limitare tali oscillazioni in alta frequenza del campo di pressione, negli ultimi anni diversi autori hanno introdotto diversi termini diffusivi che agiscono all’interno dell’equazione di continuità. In generale questi modelli possono essere raggruppati in due formulazioni: la prima è costituita da termini che fanno riferimento alla formula di Morris; la seconda, nota come -SPH differisce dalla prima essenzialmente per l’aggiunta di gradienti renormalizzati del campo di densità. La prima famiglia di modelli è caratterizzata dall’introduzione di errori numerici in prossimità della superficie libera ed, inoltre, l’azione di “smoothing” deteriora la soluzione idrostatica nel tempo. In presenza invece di impatti l’azione diffusiva svolta da questi modelli risulta essere efficace nell’attenuazione di onde di shock non fisiche successive all’impatto. Il modello - SPH, essendo invece un operatore più accurato, non introduce alcun errore vicino alla superficie libera e conserva la soluzione idrostatica nel tempo. Nel caso invece di impatti, questo modello risulta essere meno efficace nell’azione di attenuazione delle onde di shock. Al fine di avere un modello che conservi le proprietà del fluido quando questo è caratterizzato da fenomeni di dinamica lenta e che agisca al meglio nel processo di attenuazione delle onde di shock conseguenti a dinamiche di impatto, o veloci, viene introdotto un modello diffusivo ibrido che permette di passare da una formulazione all’altra, a seconda delle condizioni presenti nella massa fluida, grazie all’introduzione di un parametro, , che attiva o disattiva i gradienti renormalizzati di densità. La modellazione dei contorni solidi sottili ed i termini diffusivi ibridi presentati vengono implementati per la simulazione numerica SPH dell’interazione onda-cassone forato. I risultati analizzati riguardano sia l’aspetto di stabilità dell’opera, riguardante in questo caso la valutazione delle pressioni dinamiche agenti sulle pareti della struttura, sia l’aspetto idraulico, riguardante la valutazione dei coefficienti di riflessione. Per quanto concerne le distribuzioni di pressione, i risultati numerici ottenuti dimostrano la presenza di cadute di pressione in prossimità dei fori della struttura legati all’effetto Bernoulli. Questo risultato numerico richiede, ad ogni modo, una più profonda investigazione dal punto di vista sperimentale, attraverso l’osservazione del comportamento del campo di moto in prossimità dei fori della parete. Per quanto concerne invece le analisi idrauliche, i coefficienti di riflessione sono stati valutati attraverso un metodo classico, considerando diversi valori del rapporto tra la larghezza della camera di assorbimento e la lunghezza d’onda.Nell’ultima parte del lavoro di tesi viene investigato il problema del rumore acustico nelle soluzioni ottenute dal presente modello SPH (e che riguarda, in generale, tutti i modelli debolmente compressibili) e viene presentata una procedura per il filtraggio corretto di tale componente basata sulla trasformata wavelet. L’idea che sta alla base della procedura di filtraggio presentata si basa sul fatto che la soluzione debolmente compressibile può essere scritta, per piccoli valori del numero di Mach, come la sovrapposizione di una soluzione incompressibile più una perturbazione acustica. Le equazioni di Navier-Stokes debolmente compressibili vengono dunque analizzate mettendo in evidenza la presenza di perturbazioni acustiche. Tale componente acustica è risolta analiticamente per un caso circolare, per cui viene dimostrato come i modi di vibrare ottenuti analiticamente corrispondano esattamente alle frequenze di vibrazione ottenute dal segnale di pressione simulando lo stesso problema con SPH. L’analisi successiva è effettuata considerando il problema della massa d’acqua sottoposta ad un campo di forze centrale. In questo caso, si osserva come la procedura presentata attraverso le wavelet consenta di filtrare correttamente la componente acustica, ottenendo esattamente la soluzione analitica. Questo risultato, essendo infatti caratterizzato da dinamiche non di impatto, è caratterizzato da un definito disaccoppiamento delle componenti acustica ed incompressibile, facendo si che il processo di filtraggio consenta di eliminare esattamente la componente acustica. I casi analizzati successivamente riguardano invece dinamiche più complesse, in cui avvengono impatti fluidi, caratterizzati quindi da singolarità nel campo di pressione. In questi casi si osserva come, al crescere dell’impulsività del fenomeno, la componente acustica ed incompressibile risultino sempre più accoppiate tra loro, per cui la procedura di filtraggio inevitabilmente elimina insieme alla componente acustica anche parte della soluzione incompressibile del problema, ovvero quella fisicamente basata. Tali risultati vengono analizzati considerando un cuneo d’acqua che impatta su una parete verticale e prendendo in esame un caso di sloshing in cui si osservano fenomeni di frangimento delle onde.
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    Hydrodynamic and morhodynamíc study of a drained beach
    (2011) Saponieri, Alessandra; Damiani, L.; Veltri, Paolo; Macchione, Francesco
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    Tracimazione di dighe costiere e inondazione
    (2008-10-29) Ricottilli, Caterina; Veltri, Paolo; Frega, Giuseppe; Tomasicchio, Roberto G.
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    Processi riossigenativi in presnza di salti di fondo
    (2009) Verbeni, Biancamaria; Macchione, Francesco; Veltri, Paolo
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    Simulazione delle reti idriche in pressione a fini gestionali
    (2014-05-26) Orlando, Federico; Macchione, Francesco; Veltri, Paolo; Fiorini Morosini, Attilio
    I modelli matematici di simulazione delle reti idriche in pressione sono divenuti di larga diffusione già da molti anni. Con il classico modello di verifica si assumono come dati la topologia, le pressioni ai nodi di alimentazione, le portate erogate, la scabrezza e le caratteristiche geometriche delle condotte e, risolvendo il sistema costituito dalle equazioni idrauliche che definiscono il problema in condizioni di moto stazionario (equazioni di continuità e del moto), si determinano le portate circolanti nelle condotte e le pressioni in rete. Tale modello, ancora valido per risolvere problemi di tipo progettuale, si mostra inadeguato ad essere applicato, su reti esistenti, per risolvere problemi di tipo gestionale. Per questi ultimi, infatti, è indispensabile ottenere valori di pressione e portata quanto più possibile prossimi a quelli reali e per diverse condizioni di erogazione. Sulle reti esistenti, d’altra parte, è possibile disporre di valori di pressione e portata misurati sul campo, valori che possono essere utilizzati per la calibrazione dei modelli. La calibrazione delle reti in pressione consiste nel determinare il valore dei parametri del sistema che nel classico problema di verifica costituiscono dati in input, ovvero la scabrezza delle condotte e le portate erogate ai nodi, utilizzando misure di portata e pressione. In questo lavoro di tesi viene descritta l’implementazione e l’applicazione, a reti di letteratura, di un modello di calibrazione originale di tipo implicito, denominato UNINET, in grado di stimare, a partire da dati di campo, le scabrezze e le portate erogate e, adottando un approccio di tipo statistico bayesiano, anche l’incertezza associata ai valori ottenuti. Il modello è in grado di utilizzare più misure contemporanee, in diversi punti della rete, o valori ottenuti da registrazioni protratte nel tempo.
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    Simulating open-channel flows and advective diffusion phenomena through SPH model
    (2014-04-11) Federico, Ivan; Veltri, Paolo; Colagrossi, Andrea; Macchione, Francesco
    The present thesis treats Computational Fluid Dynamics based on particle methods. The fully Lagrangian approach Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is developed for two-phase flows. The model is extended to research fields of environmental hydraulic and open-channel flows. SPH is a Lagrangian, meshless and particle model. It was born about 30 years ago to solve gas-dynamics problems in open space (Lucy, 1977 [1]; Gingold and Monaghan, 1977 [2]). For many years, the SPH method has been applied to problems in the astrophysical field, as documented in the review paper by Benz (1990) [3]. During the last decades, the SPH method has been increasingly modified and extended to provide approximations to the partial difference equations (PDEs) in a wide range of scientific and engineering applications particularly in the hydrodynamic field. Monaghan (1994) [4] was the first to apply the SPH scheme to fluid-dynamics problems. After that, the SPH approach has been successfully extended to multiphase flows (see e.g. Grenier et al., 2009 [5]) and fluid-structure interaction problems (see e.g. Colagrossi and Landrini, 2003 [6]). Following the SPH method, the motion of a continuum medium is described using an interpolation technique which allows to approximate functions and differential operators on an irregular distribution of points. In the standard SPH, where a weakly compressible fluid is considered, the discretized continuity and momentum equations are linked via a state equation. Firstly, an algorithm is developed to treat upstream/downstream boundary conditions for 2D open-channel flows in SPH context. For this purpose two suitable sets of particles (in/out-flow particles) are defined allowing the enforcement of different upstream and downstream flow conditions. In particular this permits to avoid generation of unphysical pressure shock waves due to a direct creation/deletion of fluid particles. As first test case, the proposed algorithm is validated for a viscous laminar flow in open channel considering Reynolds numbers of order O(102). The obtained results are compared with analytical ones in order to heuristically check the convergence of the numerical scheme. The simulations are performed for a time interval long enough to reach steady state conditions. The suitability of the in/out-flow algorithm has been highlighted comparing the velocity field with the analytical Poiseuille solution. The second test case deals with a hydraulic jump for which different upstream and downstream conditions are needed. Several types of jumps, obtained varying the flow Froude number, are investigated with particular reference to the location of the jump and the velocity field. Comparisons between the numerical results and the classical theory of the hydraulic jump are provided, showing good agreements. In the second part of the thesis, the SPH model is applied to evaluate the concentration field of pollutants in water. A Lagrangian formalism is formulated to solve the fickian diffusion equation considering pollutants with the same density as the water. Furthermore, a SPH form of the advective diffusion equation is also developed for pollutant-water, taking into account the effects of molecular diffusion and natural advection induced vii by differences between the fluid densities. These equations are coupled with the fluid mechanics equations. Attention is paid to the numerical aspects involved in the solution procedure and to the optimization of the model parameters. Environmental engineering problems concerning diffusion and natural advection phenomena occur in the presence of a pollutant in still water. Numerical tests referring to a strip and a bubble of contaminant in a water tank with different initial concentration laws have been carried out. The results obtained by the proposed SPH models are compared with other available SPH formulations, showing an overall better agreement with standard analytical solutions in terms of spatial evolution of the concentration values. Capabilities and limits of the proposed SPH models to simulate advective diffusion phenomena for a wide range of density ratios are discussed. As future perspectives, coupling the two aspects considered in this thesis, it will be developed a numerical code for the simulation of the concentration field along a water stream by an intake of pollutants. viii
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    Un modello agli automi cellulari macroscopici per la modellazione dei fenomeni di moton e trasporto nei mezzi porosi
    (2008) Ruga, Francesco; Troisi, Salvatore; Mendicino, Giuseppe; Straface, Salvatore; Veltri, Paolo