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Il modello sperimentale con cui sono stati eseguiti i test citati nel presente elaborato è situato presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Idraulica dell’Università di Pisa. È costituito da più organi, come mostrato nel diagramma a blocchi (figura 2.1).
Figura 2.1 : Diagramma a blocchi del modello sperimentale
Funziona a circuito chiuso, alimentato da una pompa di sollevamento di potenza 7.5 KW (figura 2.2-3).
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Figura 2.3 : Pompa di sollevamento
La pompa aspira acqua dal serbatoio di raccolta, contenente all’incirca 2.25 m3, spinge il flusso verso la vasca di carico che, dopo aver ridotto le varie turbolenze indotte nella corrente, alimenta il canale in vetro, fulcro del modello, all’interno del quale sono condotte le varie prove sperimentali. Il canale, funzionante a pelo libero, è lungo 500 cm, largo 34.5 cm e profondo 45 cm. Ha fondo orizzontale in lamiera d’acciaio ed è delimitato lateralmente da pareti in vetro (circa 1 cm di spessore). La struttura portante è in profilati metallici scatolari saldati o imbullonati tra loro. Sul fondo del canale, nel corso dei test sperimentali, è stato sistemato un letto in sassi di lunghezza pari a 1.6 m, costituito da una lamiera zincata (circa 1 mm di spessore), sulla quale sono stati incollati, tramite adesivo siliconico, degli inerti di opportuna granulometria.
La tubazione adduttrice che collega il serbatoio di raccolta con la vasca di carico è in PVC, ha un diametro di 90 mm ed è dotata di un misuratore di portata di tipo elettromagnetico. Convoglia l’acqua direttamente nella vasca di carico posta a monte dell’impianto. Lungo la condotta adduttrice è presente una valvola di regolazione attraverso la quale è possibile tarare con precisione la portata fluente nel canale.
Nell’esecuzione dei test risulta importante la regolazione dell’altezza liquida di monte (corrente supercritica) e di valle (corrente subcritica). Ciò è possibile attraverso l’apertura e la chiusura di due luci a battente regolate da paratoie metalliche mobili poste all’estremità del canale di vetro. Le paratoie scorrono all’interno di gargami di ottone e sono movimentate manualmente attraverso un sistema di ingranaggi azionati da manovella.
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dxx = dimensione del materiale la cui percentuale di passante è pari a xx% Si è proceduto con la misurazione della scabrezza di fondo, attraverso un idrometro a cremagliera di precisione 0.12 mm, su nove sezioni caratteristiche suddivise in tre gruppi di tre: il primo sito ad inizio canale, il secondo al centro ed il terzo alla fine.
Per ognuna delle tre sezioni (distanziate tra loro di una lunghezza pari a 2.5 cm) di ogni gruppo si sono effettuate le misurazioni con passo trasversale di 1 cm.
Allo scopo di comprendere meglio lo schema di misura, se ne riporta una figura esplicativa (figura 2.4).
Figura 2.4 : Schema dei punti di misura per la definizione del virtual bed
Terminate le misurazioni si è definito, per ogni sezione trasversale, il physical top (PT), vale a dire il piano generato dall’interpolazione delle sommità più prominenti dei singoli inerti costituenti il fondo scabro.
Si è preso come piano di riferimento l’effective top (ET), ossia il piano sottostante al PT di una quota pari al 20% di Ks=d65. Questo sarà il piano di riferimento per tutte le misure e verrà denominato virtual bed level (figura 2.5).
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Figura 2.5 : Piani di riferimento per le misurazioni
Al fine di rendere più agevoli le misurazioni, si è posta sulla parete vetrata del canale utilizzato per la sperimentazione, una griglia (lato di ogni maglia pari a 1 cm) stampata su lucido trasparente e con asse di riferimento orizzontale coincidente col virtual bed.
2.3 - Misurazioni effettuate
Durante ogni singolo test sono state misurate le seguenti grandezze: a) Portata
È stata monitorata attraverso un apparecchio elettromagnetico di precisione, Krohne OPTIFLUX 2000 KC, dotato di convertitore IFC 300 con display a cristalli liquidi per la lettura in tempo reale.
b) Caratteristiche geometriche del risalto e della vena liquida
Sono state misurate le seguenti grandezze caratteristiche (figura 2.6): y1 = altezza vena liquida in uscita dalla luce a battente di monte yr1 = altezza vena liquida a monte del risalto (1a altezza coniugata) yr2 = altezza vena liquida a valle del risalto (2a altezza coniugata) y2 = altezza vena liquida a valle del risalto in cui è ristabilita una
distribuzione idrostatica della pressione (tail water)
y = altezza vena liquida generica, staccata ogni 10-15 cm al fine di ricostruire il profilo liquido del risalto idraulico
Per ogni altezza liquida è stata annotata anche l’ascissa della sezione trasversale corrispondente.
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Figura 2.6 : Grandezze caratteristiche del risalto idraulico
Essendo presente in molte prove un’elevata turbolenza superficiale, non sempre è stato possibile definire una grandezza idrometrica univoca, a causa della difficoltà di posizionamento della punta dell’idrometro utilizzato per eseguire le misurazioni. Per ovviare a questa indeterminazione si sono valutati diversi punti della stessa sezione liquida.
Inoltre, ogni prova è stata corredata da riprese video e fotografiche, in modo da avere un mezzo inequivocabile di controllo ed integrazione.
2.4 - Materiale costituente il fondo scabro
Nel corso dei test è stata impiegata una determinata tipologia di inerti costituenti il fondo orizzontale: E4, scabrezza maggiore.
Scelto il materiale, si è proceduto alla realizzazione della curva granulometrica mediante setacciatura (diagramma 3.1). Si è realizzato il fondo fissando i suddetti inerti su lamina in acciaio zincato dello spessore di 1 mm, attraverso l’ausilio di colla siliconica.
Nella tabella 3.1 che segue sono indicati:
dxx = dimensione del materiale la cui percentuale di passante è pari a xx% σ = coefficiente di uniformità
Esso descrive l’uniformità dimensionale.
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Ψnu = coefficiente di non uniformitàcon:
Esso descrive le caratteristiche geometriche dei materiali non omogenei. Tiene in considerazione sia la distribuzione granulometrica di base (σ) che i singoli
grani di dimensioni maggiori (δ), specialmente per valori di σ>3. Il coefficiente Ψnu assume valori superiori per materiali uniformi.
Per Ψnu<3.3 (valore limite per materiali uniformi) la scabrezza di fondo è non omogenea, mentre per Ψnu>3.3 essa diviene omogenea.
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Tabella 3.1 : Caratteristiche granulometriche del materiale E4 costituente il fondo orizzontale
Diagramma 3.1 : Curva granulometrica del materiale E4 costituente il fondo orizzontale S3 10,21 29,60 45,60 45,60 45,90 2,11 1,30
