Geometria del modello

Innanzitutto si è utilizzato il software di disegno AutoCAD per la costruzione della geometria del modello, che può venire salvata in un file formato DXF e importata in FEFLOW (come si vede dalla Figura 72). Il codice ad elementi finiti, infatti, offre la possibilità di importare mappe e file esterni (formato. shp, .pnt, .pli, etc.), nonché di creare manualmente la geometria del problema dopo che si è scelta la tipologia di progetto che si vuole impostare (vedi Figura 70 e 71).

90 Se si volesse creare manualmente la geometria del problema (tramite l’opzione ‘Manual domain Setup’) si dovrebbe cliccare sul comando “Add Polygons” così da definire un’area chiusa e circoscritta in cui poter generare la mesh.

Figura 70. "New Project" in FEFLOW

Figura 71.Supermesh importata da “Maps”

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Figura 72.Importazione dei file .dxf

Nelle mappe importate sono stati disegnati sia i contorni esterni del modello (galleria esclusa), che la galleria e il suo rivestimento, integrato con il circuito di tubi scambiatori (nella configurazione AIR e ad una distanza di 10 cm dall’intradosso del rivestimento).

Nello specifico, il rivestimento e le condotte dei tubi sono state modellate in AutoCAD mediante dei segmenti che approssimassero il più possibile la reale geometria dei loro contorni circolari: questo passaggio è stato necessario in quanto il codice di calcolo FEFLOW non permette la realizzazione di elementi circolari. A causa di ciò, per modellare i bordi della galleria e l’andamento trasversale dei tubi scambiatori si sono suddivise le circonferenza in un numero di 60 segmenti.

In Figura 73 vengono mostrate le dimensioni adottate per la geometria esterna del modello (misure in metri), mentre la Figura 74 presenta i 60 segmenti che approssimano tutte le circonferenze. Come già detto il diametro interno della galleria misura 8,4 m, il rivestimento 30 cm (nel quale si sono proiettati i contorni delle serpentine, posti a distanza di 10 cm dal bordo interno del rivestimento) e il diametro esterno misura 9 m.

Figura 73. Dimensioni esterne del modello, diametro esterno e diametro interno della galleria (in metri)

92 Con l’inserimento dei file in formato .dxf, vengono creati nel programma degli elementi (punti, linee e poligoni) che andranno a costituire la “Supermesh”: quest’ultima contiene tutte le informazioni geometriche necessarie per generare la mesh (Figura 75).

Figura 74. Sezione trasversale importata: rivestimento e serpentine (AIR), dimensioni in metri

Figura 75. Supermesh di linee e punti che formano rivestimento e tubazioni di scambio della galleria

La tipologia di analisi da effettuare può essere impostata nella finestra di “Problem Settings” mostrata in Figura 76: qui sarà scelta la tipologia di scambio, che potrà essere di massa o di calore o età (quest’ultima introdotta nella versione 7.2 del software), il tipo di simulazione del flusso (standard se il mezzo è saturo o utilizzando l’equazione di Richards, se solo parzialmente saturo o del tutto insaturo) e le sue condizioni (se in regime costante o transitorio). Dalla stessa finestra di “Problem Settings” si

93 possono selezionare anche parametri della simulazione quali la durata della simulazione, il tempo di inizio, i valori di tolleranza e il numero massimo di iterazioni da adottare per le simulazioni effettuate.

Figura 76.Finestra di Problem Settings in FEFLOW

La forza di gravità è stata impostata nella direzione delle y negative, mentre l’anisotropia del modello è stata settata nella condizione CLASSIC ISOTROPIC FORMULATION (Figura 77).

Si procede quindi con la creazione della mesh grazie al comando “Mesh Generator”, potendo scegliere tra una delle tre opzioni seguenti:

 Advancing Front: è un semplice algoritmo di generazione mesh che produce elementi di forma molto regolare. Non supporta linee o punti come riferimenti i quali, se presenti nella supermesh, vengono ignorati nel processo di generazione. Innalza però la velocità di generazione.

 Triangle: codice di triangolazione sviluppato negli Stati Uniti, presenta più vantaggi. E’, ad esempio, estremamente veloce e riesce a supportare combinazioni complesse di poligoni, linee e punti presenti nella Supermesh. Sono selezionabili anche delle ulteriori preferenze e limitazioni nella generazione di elementi, come il range relativo agli angoli interni (così da ottenere elementi il più possibile regolari), o il raffittimento della mesh in zone di particolare interesse.

 GridBuilder è un algoritmo di triangolazione flessibile che supporta poligoni, linee e punti.

Come il precedente codice Triangle, permette di avere raffittimenti della mesh in corrispondenza di particolari elementi selezionati dall’utente.

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Figura 77. Impostazione della gravità e condizioni di isotropia

Si possono scegliere sia elementi triangolari, che quadrangolari; e nel caso in esame si è optato per la prima delle due opzioni, in quanto gli elementi Triangle sono ritenuti più idonei ad effettuare analisi di flusso.

La mesh, che viene generata in automatico, è stata infittita nelle zone più critiche dove si vorranno estrapolare risultati più precisi possibile dalle simulazioni: queste zone corrispondono alle parti che discretizzano il rivestimento e i tubi scambiatori in esso annegati. Per fare ciò, è stata attivata l’opzione

“refine factor”.

Si è comunque prestata molta attenzione, in questa fase, anche alla dimensione degli elementi in quelle stesse zone: a tal fine, in corrispondenza delle tubazioni, è stata impostata una dimensione minima di 0,1 m. In Figura 79 vi è uno zoom del tunnel per mostrare la discretizzazione effettuate dal software a seguito delle impostazioni definite per la mesh (Figura 78).

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Figura 78.Impostazioni per la qualità della mesh

Una volta ottenuto il modello bidimensionale, si può estendere tridimensionalmente tramite il comando

“3D Layer Configuration”, dal menù “Edit”. Qui si dovranno definire il numero di strati (“slices”) con cui dividere il modello 3D e il loro spessore (che si rifletterà nel loro valore di quota); inoltre è possibile scegliere se la ‘fetta’ creata assume una condizione “Fixed” (per la quale gli strati creati manterranno sempre la quota di elevazione assegnata) o “Movable”.

Figura 79. Discretizzazione del modello

96 Un esempio di creazione di modello tridimensionale, nell’ipotesi si abbiano solamente due anelli in serie, viene riportato in Figura 80.

È bene apostrofare l’importanza che assume questo tipo di configurazione: sulla base dei risultati presentati da Candito (2020) si è potuto concludere, infatti, che la configurazione con anelli in serie a due a due risulta essere la più conveniente in termini di costi-benefici (ovvero quella che permette di estrarre la maggiore potenza termica in maniera più conveniente dal punto di vista idraulico al kWh), nella maggior parte delle situazioni. I risultati di Candito (2020) hanno, infatti, evidenziato che, se non si fissasse la lunghezza della galleria da attivare termicamente, ma piuttosto fosse fissata l’energia termica da estrarre grazie all’attivazione del rivestimento, la configurazione con due anelli collegati in serie è una delle due migliori configurazioni (assieme a quella con anelli tutti collegati in serie) in termini di rapporto costi-benefici. Solo nel caso in cui le proprietà termo-idrauliche siano molto favorevoli per lo scambio termico o per brevi tratti strumentati, la configurazione più conveniente diviene quella con anelli tutti in parallelo.

Se, invece, si vogliono attivare energeticamente gallerie di grande lunghezza, allora la configurazione ottimale è rappresentata da quella in cui due anelli sono collegati in serie: anche nella presente tesi, dunque, è stato ritenuto più ragionevole considerare un modello con più anelli collegati in serie a due a due.

Figura 80. 3D Layer Configuration di due anelli in serie di spessore 1,4 m

97 Nello specifico, le simulazioni sono state eseguite su di un modello costituito da 6 anelli di spessore 1,4 m, ottenendo un’elevazione complessiva di 8,4 m (Figura 81).

Ogni singolo anello è formato da 6 conci prefabbricati in c.a. nei quali sono assicurate le serpentine di tubi scambiatori; quest’ultime presentano un interasse di 30 cm e si trovano ad una distanza di 10 cm dai bordi esterni dell’anello stesso. La tipologia di condotte utilizzate corrisponde alla tipologia ENERTUN ed è caratterizzata da sviluppo prevalente nel piano trasversale: il diametro esterno di queste specifiche condotte è preso pari a 20 mm e il loro spessore a 2 mm.

Si è considerata la sola configurazione AIR al fine di valutare l’efficienza di scambio termico delle serpentine nei conci prefabbricati con l’ambiente interno della galleria e il possibile sfruttamento delle elevate temperature agenti; la geometria delle condotte e del singolo concio in c.a. sono rappresentate in Figura 82 (misure in cm).

Figura 81. 3D Layer Configuration: modello adottato con 6 anelli in serie due a due

Le serpentine per lo scambio termico devono essere modellate: a tale scopo si sfrutta il comando

“Discrete Features” presente nella finestra “Data” in basso a sinistra.

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Figura 82. Vista interna ed esterna del concio prefabbricato e serpentine di tubi in configurazione AIR (misure in cm)

Il comando precedente si utilizza anche per simulare la funzione di una condotta di una sonda geotermica o di altri elementi monodimensionali utili, come ad esempio una frattura all’interno del modello; vi si può assegnare, infatti, il valore di “hydraulic aperture”, che nel nostro caso fa riferimento al raggio idraulico ryh dei tubi scambiatori di calore.

Innanzitutto si sono selezionati manualmente e salvati gli elementi da attivare direttamente dalla vista 2D delle “slices”. Per facilità conviene creare dei gruppi di “selezioni”: lo si può fare con nodi, elementi, ecc., ma, nello specifico caso di elementi monodimensionali, la selezione adottata sarà riferita agli

“edges”, ovvero i bordi degli elementi in cui si è discretizzato il modello. Attraverso il comando “Select Edges/Select Joint Edges” si devono cliccare tutti i bordi degli elementi di interesse e con “Store current selection” sarà possibile salvarli nel pannello Selections in basso a sinistra.

Se si clicca con il tasto destro l’etichetta di Discrete Features, avendo opportunamente attivata la selezione che si vuole vada poi a simulare la condotta di scambio termico, e scegliendo una delle tre possibili soluzioni proposte dal software (Darcy, Hagen-Poiseuille o Manning-Strickler), viene creato l’elemento monodimensionale.

Nel caso di tubazioni di piccolo diametro la legge più adatta è quella di Hagen-Poiseuille che, però, trascura le proprietà termiche del materiale che costituisce il tubo; tuttavia l’errore prodotto è relativamente piccolo date le dimensioni dell’elemento in esame. E’ stato dunque possibile creare la geometria relativamente complessa delle serpentine interne ai conci, come mostrato in Figura 83.

La creazioni di diverse selezioni 3D (salvate nel pannello ad esse associato, vedi Figura 84) degli elementi o dei contorni di questi è molto utile soprattutto quando (vedi capitolo 5.2 seguente) si andranno ad assegnare le proprietà termiche e idrauliche di ogni elemento (terreno, isolante, ecc.), nonché le condizioni al contorno.

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Figura 83. Rappresentazione 3D delle ‘Discrete Features’; (in alto) e dettaglio degli ‘Edges’ dei primi due anelli (in basso)

Figura 84.Selezioni degli elementi salvate-materiali

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