3 - diffusione di getti di densità in presenza di corrente su fondale liscio o corrugato 2004

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Diffusione di getti di densità in presenza dicorrente su fondale liscio e corrugato

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Daniela Malcangio

Politecnico di Bari

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Michele Mossa

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Diffusione di getti di densità in presenza di corrente su fondale liscio ecorrugato

M. Ben Meftah1, D. Malcangio2 e M. Mossa2

1 Dipartimento di Ingegneria delle Acque e di Chimica, Politecnico di Bari2 Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente e per lo Sviluppo Sostenibile, Politecnico di Bari

SOMMARIO. Riconosciuta la necessità e l’importanza di uno studio teso alla comprensione della dinamicadelle correnti, finalizzato alla diffusione di inquinanti, presso il Laboratorio di Ricerca e Sperimentazione

per la Difesa delle Coste (L.I.C.) del DIAC del Politecnico di Bari è stato realizzato un modello fisico per lostudio di getti di densità in presenza di correnti. Il flusso all’interno del canale sperimentale consente di simu-lare le correnti marine, mentre il getto di densità, che è stato immesso in esso attraverso un orifizio di formacircolare di diametro pari a 5 mm posizionato sul fondo del canale, è stato realizzato utilizzando acqua ad unatemperatura superiore a quella del corpo idrico recettore, fissata dall’operatore e controllata da un PC di pro-cesso. Le configurazioni analizzate sono quelle di getti di densità immessi trasversalmente alla corrente pre-sente nel canale, in presenza di fondale liscio e corrugato (la scabrezza è stata realizzata mediante pannelli diforma sinusoidale). Lo scopo principale dello studio volge all’individuazione dell’effetto della scabrezza delfondale sulla struttura del getto di densità.

1 INTRODUZIONE

La conoscenza approfondita della circolazione oce-anica e costiera è fondamentale per la comprensionedi una serie di processi ad essa strettamente correla-ti, tra cui i processi di diffusione e avvezione di in-quinanti. La diffusione di inquinanti in mare non èlegata solo alle acque reflue delle civili abitazioni,ma anche, per esempio, alle acque utilizzate negliscambiatori di calore e successivamente scaricate inmare a temperatura maggiore del corpo idrico recet-

tore. Si pensi, per esempio, al caso della presadell’acqua di mare utilizzata dalle centrali termicheo, in generale, da industrie per processi di raffred-damento e successivamente scaricata in mare a temperatura sensibilmente maggiore di quella di prelie-vo.

I getti di densità turbolenti costituiscono un effet-tivo meccanismo per raggiungere una maggiore di-luizione iniziale in maniera da minimizzare l’effettodello scarico sull’ambiente, poiché essi introduconoun elevato volume di fluido ambiente e lo mescola-

no al fluido riversato. In letteratura sono presentiinnumerevoli indagini sulla diffusione di getti turbo-lenti in corpi idrici recettori ipotizzati in condizionedi quiete, nell’ambito della vasta e importante tema-

tica ambientale dello smaltimento dei reflui in mare.Tuttavia, in realtà, il fluido ambiente non è gene-ralmente fermo e il suo campo di moto accresce so-litamente il fenomeno della diluizione, provocando,altresì, una forte modifica del campo di moto deigetti. Un ulteriore fattore che potrebbe favorire ladiluizione è la turbolenza del corpo idrico recettore,che interagisce con quella del getto. La turbolenzadel sito recettore è un fattore ambientale, come lecorrenti (p.e. vedi De Serio & Malcangio, 2002; DeSerio et al., 2003), la stratificazione della densità

(p.e. Fischer et al., 1979) o il moto ondoso (p.e.Mossa, 1998; Mossa & Petrillo, 2001; Mossa,2004a; Mossa, 2004b), che generalmente partecipa-no ad influenzare il comportamento di un getto. Ècomunque necessario relazionare questi parametricon (i) i parametri caratteristici del getto (p.e. la di-stribuzione della velocità del getto iniziale e il livel-lo di turbolenza, il flusso di massa del getto e il flus-so di quantità di moto) e (ii) fattori geometrici (p.e.la forma del getto, la sua orientazione, i confini o lasua traiettoria, se il getto è soggetto a galleggiamen-

to positivo o negativo).Tutti i fattori summenzionati possono convergerein un unico problema e l’identificazionedell’influenza di ognuno di essi è un compito com-



M. Ben Meftah, D. Malcangio e M. Mossa

plesso non ancora pienamente esaurito. Presso il Laboratorio di Ricerca e Sperimentazione per la

Difesa delle Coste (L.I.C.) del Dipartimento di In-

gegneria delle Acque e di Chimica del Politecnico

di Bari è stato sviluppato un sofisticato programma

di modellistica fisica per lo studio dei problemi i-draulici precedentemente descritti. In particolare,sono stati analizzati i getti di densità, ottenuti riscal-dando acqua attraverso un sistema termo-idraulico eimmessi in un ambiente fluido con una corrente tra-sversale al loro asse. Per la medesima configurazio-ne si è analizzato il comportamento del getto sia confondale liscio sia con fondale scabro, quest’ultimorealizzato mediante delle superfici plastiche corru-gate.

Lo scopo principale del presente studio, tra gli al-tri, è stato quello di dedurre l’influenza della turbo-lenza generata dalle irregolarità del fondale sullastruttura dei getti turbolenti tridimensionali e sullaloro diluizione. I campi della velocità e della tempe-ratura sono stati determinati a differenti livelli verti-cali, sì da ottenere la struttura spaziale del profilodella velocità e della temperatura del getto di densi-tà. Come risultato, si è ottenuta una buona visionedella diversa distribuzione del getto di densitànell’ambiente, dipendente dalle varie configurazioni(fondo liscio e tre tipi di fondo scabro) e dalla pre-senza della turbolenza circostante.

2 STATO DELL’ARTE

I getti e le piume immessi in un campo di moto uni-forme con direzione trasversale al loro asse mostra-no uno sviluppo fortemente caratteristico che risultaessere strutturalmente interessante e di forte impattoapplicativo. Pertanto, a tal riguardo esistono in lette-ratura numerosi studi sperimentali, numerici e teori-ci. Come esempi di getti inflessi, si pensi alle varie piume di fumo trasportate dal vento, agli scarichi

delle acque reflue nel mare, ai getti degli aeroplaniin fase di decollo o ai getti nelle camere di combu-stione.

La stabilità del getto e la localizzazionedell’instabilità sono aspetti fondamentali per la de-terminazione del tasso di intrusione e mescolamen-to. Le osservazioni sperimentali di molti autori han-no messo in evidenza che le sezioni normali all’assedel getto hanno una classica forma a rene, nota an-che come forma a ferro di cavallo. Facendo riferi-mento alla fig. 1, si nota che, per questi getti, in as-

senza di variazioni di densità tra il getto e il corpoidrico recettore (getti puri), nelle immediate vici-nanze della sezione di uscita del getto, supposta cir-colare, la dimensione della sezione del getto stesso è

comparabile a quello dell’orifizio. Tale regione, chesi estende dall’orifizio fino al punto C (vedi fig. 1),è definita potential core: in essa, le linee di flussosono parallele all’asse del getto e il tasso di intru-sione e mescolamento è trascurabile. La lunghezza

del core dipende dal rapporto r = U 0 /U a, essendo U 0 la velocità di uscita del getto e U a la velocità del

Figura 1. Esempio di un getto interagente con uncampo di moto uniforme e trasversale al suo asse(da Rajaratnam, 1976).

campo di moto uniforme esterno. Rajaratnam (1976)ha definito tale lunghezza uguale a 6 volte il diame-tro dell’ugello, mentre Keffer e Baines (1963) han-

no dimostrato che se r è maggiore di 4 il punto C difig. 1 si trova lungo la verticale passante per il bari-centro dell’orifizio; per valori più piccoli di r , il punto C è deviato secondo il verso del campo dimoto del fluido esterno. A ridosso del core, si indi-vidua una regione di massima flessione (II regionedi fig. 1) e, infine, una regione dei vortici (III regio-ne di fig. 1). Essenzialmente, in tali regioni vi è unsostanziale aumento delle dimensioni del getto pereffetto dei fenomeni di intrusione e mescolamento.Inoltre, la traiettoria assiale del getto è rapidamente

deviata dalla corrente e la geometria della sua se-zione trasversale a forma di rene è costituita da unacoppia di vortici le cui dimensioni crescono passan-do dalla II alla III regione (vedi fig. 1).

Differenti sono i parametri che caratterizzano ilflusso. Lo scarico di un getto di densità circolare ècaratterizzato dalla portata all’orifizioQ0=( π /4)D

2U 0 , dal flusso di quantità di moto

M 0=U 0Q0 e dal flusso di galleggiamento specifico B0=g’Q0, essendo D il diametro del getto, ρ 0 la den-sità del getto allo scarico, ρ a la densitànell’ambiente recettore e g’=g( ρ a- ρ 0 )/ ρ a

l’accelerazione di gravità ridotta. Wright (1984) de-finisce diverse lunghezze di scala per descrivere leforze di galleggiamento, di quantità di moto e di tra-scinamento, nonché l’intrusione turbolenta tra il get-



Diffusione di getti di densità in presenza di corrente su fondale liscio e corrugato

to e la corrente. I parametri fondamentali per la de-terminazione della traiettoria di un getto di densitàimmesso trasversalmente ad una corrente uniforme èdato dal rapporto tra la lunghezza di scala l M =

M 01/2

/U a, che definisce la distanza dall’ugello dove

domina l’influenza della quantità di moto del gettosul campo di moto circostante, e la lunghezza l B

=B0 /U a3, che rappresenta la distanza dall’ugello do-

ve dominano le forze di galleggiamento del getto suquello del flusso ambiente. Esistono due differenticasi pratici, corrispondenti a l M > l B e l M < l B,all’interno dei quali si presentano tre regimi (List,1982). Per l M > l B la quantità di moto del getto pre-domina e i regimi che si realizzano possono esseredefiniti come getto verticale, getto piegato e piuma piegata. Quando l M < l B prevale l’effetto del galleg-giamento, quindi i regimi che si sviluppano sonodetti getto verticale, piuma verticale e piuma piega-ta. In tutti i casi, è il galleggiamento a controllare per ultimo la traiettoria del getto.

Le equazioni della traiettoria del getto di quantitàdi moto immesso trasversalmente in una correntesono state determinate in primis da Priestley (1956)e Moore (1966), e confermate successivamente dailavori di Chu & Goldberg (1974) e Wright (1977).Secondo quanto riportato in letteratura (Gordier,1959), una corretta analisi dimensionale mostra che per ampi valori del numero di Reynolds del getto,

Re = U 0 D/ ν , con ν la viscosità cinematica del flui-do del getto, la penetrazione del getto nel flusso tra-sversale per ogni distanza x dall’ugello (si veda lafig. 1) è espressa come

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ==

a

o

U

U r

D

x f

D

y 0, . (1)

Con riferimento sempre alla fig. 1, tale penetrazioneè rappresentata dal contorno esterno AD, il qualeviene spesso determinato mediante fotografie.

Pratte e Baines (1967) hanno trovato che la rela-zione tra yo ed x può esprimersi mediantel’equazione empirica

28.0

63.2 ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =

Dr

x

Dr

y o (2)

Analogamente, il contorno interno, coincidentecon la curva BE di fig. 1, è definito dall’equazione

28.0

35.1 ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =

Dr

x

Dr

y i (3)

mentre la linea centrale dall’equazione

28.0

05.2 ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =

Dr

x

Dr

y c (4)

Tuttavia, la letteratura in materia risulta esserescarsa per ciò che concerne le reali condizioni del

corpo idrico recettore in cui vengono immessi i gettidi densità (si pensi a tal riguardo agli scarichi dei re-flui depurati in mare). Infatti, un ulteriore fattoreambientale che occorre prendere in considerazione,oltre alla presenza di una corrente trasversaleall’asse del getto di densità, è il fondaledell’ambiente circostante, quasi mai liscio, bensì ca-ratterizzato da una particolare scabrezza. Diversistudi sono stati eseguiti sull’analisi della turbolenza,e quindi sulle strutture vorticose, che si generano per effetto di un fondo scabro. Per una descrizione

dei fenomeni che si instaurano, si raccomanda la let-tura del lavoro di Nezu & Nakagawa (1993). Ciòche si è fatto nel presente studio, è analizzarel’effetto di un fondale con una caratteristica scabrezza sulla struttura di un getto di densità, con par-ticolare attenzione al campo delle velocità e delletemperature lungo il piano assial-simmetrico longi-tudinale del canale, nonché all’andamento dellatraiettoria del getto nello stesso piano.

3 APPARATO SPERIMENTALE

Il modello fisico per lo studio dei getti di densitàturbolenti verticali è stato realizzato presso il Labo-ratorio di Ricerca e Sperimentazione per la Difesadelle Coste (LIC) del DIAC del Politecnico di Bari.

Esso è costituito essenzialmente da un circuito i-draulico di acqua a temperatura costante e fissatadall’operatore raccolta in un serbatoio metallico fis-sato sul pavimento (fig. 2). In tale serbatoio avvie-ne appunto il riscaldamento dell’acqua per mezzo diquattro termo-resistenze di 12.500 W ciascuna, in

grado di far raggiungere una temperatura massimadi 90°C (il valore è letto da un trasduttore e riporta-to su un PC di processo). Mediante una pompa della potenza di 1 Hp, provvista di manometro e valvoladi intercettazione, l’acqua così riscaldata nel serba-toio metallico sopraindicato viene trasferita in unsecondo serbatoio metallico con sfioro laterale, po-sto su di una piattaforma mobile posizionabile a di-verse altezze, sì da garantire un carico costante e,dunque, differenti e fissate portate del getto di den-sità. Quest’ultimo viene fatto fuoriuscire da un tubocoibentato di sezione circolare con diametro termi-

nale D = 5 mm, in condizioni turbolente, garantiteda un elevato numero di Reynolds ( Re > 2000).L’orifizio è stato posizionato a 40 mm dal fondo diun canale rettangolare in acciaio, lungo 15 m, largo




4 m, con una profondità utile di 0.4 m, con pareti invetro (fig. 3), attraversato da un flusso di acqua atemperatura ambiente. In pratica il sistema idraulicoa circuito chiuso del canale prevede il pompaggio

Figura 2. Sistema termo-idraulico per la produzionedei getti di densità.

Figura 3. Vista da valle del canale.

di acqua raccolta in un ampio serbatoio metallico avalle del canale stesso con una elettropompa centri-fuga Flygt installata su una condotta di mandata didiametro 200 mm. La condotta di mandata adduce la portata dal serbatoio di valle al serbatoio di montedel canale, dove il livello dell’acqua è mantenuto

costante mediante l’utilizzo di uno sfioratore latera-le. L’acqua sfiorata e, dunque, non immessa in cana-le è riportata nel serbatoio di valle, mediante unacondotta di scarico di troppo pieno con un diametro

di 250 mm. La portata in canale è valutata attraversola differenza delle portate misurate con flussometrielettromagnetici sulle condotte di mandata e di sca-rico, rispettivamente. Attraverso l’uso delle paratoiedi monte e di valle del canale il tirante idrico in esso

è stato tenuto costantemente uguale a 26 cm durantetutte le prove condotte nell’ambito del presente stu-dio. Un computer di processo ed un software di con-trollo sono in grado di gestire le principali grandez-ze del modello fisico brevemente descritto in precedenza, nonché di controllare tutte le strumen-tazioni connesse con il canale ed il sistema di gene-razione dei getti di densità, in modo da ottenere emantenere costanti le configurazioni fissate.

L’aspetto basilare di questo studio sperimentale èstata l’analisi del cambiamento nel comportamentodel getto per effetto della turbolenza generata permezzo di tre differenti superfici plastiche in fibra divetro, di forma sinusoidale con nota “lunghezzad’onda” λ e “ampiezza” ε, diverse per ognuna di es-se, fissate sul fondo del canale di lavoro (fig. 4). Incorrispondenza del punto più depresso del cavo del profilo ad onda del fondale, distante 6 m dalla para-toia di monte del canale e 4 m da quella di valle,lungo la sezione longitudinale media, è stato realiz-zato un foro per l’introduzione del tubo di efflussodel getto.

Figura 4. Diagramma schematico della messa inopera dei pannelli sinusoidali sul fondo del canale.

Sono state analizzate differenti configurazioni,variando sia i parametri caratteristici del getto didensità, quale la sua temperatura, sempre maggiorerispetto a quella ambiente, e la sua portata, sia lascabrezza del fondo del canale. Lo studio del gettodi densità immesso in un canale con corrente tra-sversale e fondo scabro è stato preceduto dallo stu-dio dello stesso getto nella configurazione di fondoliscio, in modo da evidenziare il reale effetto che lascabrezza ha sul getto.




Tutte le configurazioni analizzate sono riportatenella tabella 1, dove ΔT 0 è la variazione di tempera-tura tra l’acqua del getto all’immissione e quella delcanale.

Tabella 1. Sommario delle configurazioni speri-

mentali adottate.

TestQ0

(l/min)T0

(°C)λ

(mm) (mm)

M0

(m4 /s2)B0

(m4 /s3)T1 1.6 25 0 0 3.7E-5 2.3E-6T2 1.6 35 0 0 3.7E-5 3.5E-6T3 2.3 35 0 0 7.7E-5 5.3E-6T4 2.3 25 0 0 7.7E-5 3.4E-6T5 2.3 25 76 18 7.7E-5 3.5E-6T6 2.3 35 76 18 7.7E-5 4.9E-6T7 1.6 25 76 18 3.7E-5 2.4E-6

T8 1.6 35 76 18 3.7E-5 3.5E-6T9 1.6 25 146 48 3.7E-5 2.2E-6T10 1.6 35 146 48 3.7E-5 3.1E-6T11 2.3 25 146 48 7.7E-5 2.9E-6T12 2.3 35 146 48 7.7E-5 4.4E-6T13 2.3 25 177 51 7.7E-5 2.8E-6T14 2.3 35 177 51 7.7E-5 4.3E-6T15 1.6 35 177 51 3.7E-5 2.9E-6T16 1.6 25 177 51 3.7E-5 1.9E-6

4 RISULTATI SPERIMENTALI

Nei successivi paragrafi vengono riportati alcuni deirisultati ottenuti durante le misure effettuatenell’ambito del presente studio, in termini di (i)campo medio delle velocità, (ii) campo medio delletemperature e (iii) traiettoria del getto di densità.Durante tali esperimenti, la maggior parte delle mi-surazioni sono state condotte sul piano longitudinalesimmetrico del canale, lungo il quale è possibile i-dentificare qualunque deviazione o modifica dellatraiettoria dei getti.

Per la misurazione della temperatura del flussodel getto sono state adoperate delle termocoppie,mentre, per la misura della velocità, si è utilizzato ilsistema Acoustic Doppler Velocimeter (ADV), in-sieme al software CollectV per l’acquisizione deidati e al software ExploreV per una loro analisi, tutti prodotti dalla Nortek . Il test T1 di tabella 1 è statoeseguito per calibrare l’apparato sperimentale; perquesta ragione nel seguito si farà riferimento ai solitest T2-T16 di tabella 1.

4.1

CAMPO MEDIO DELLE VELOCITÀL’uso del sistema ADV per la misura delle velocità,nelle tre componenti orizzontale longitudinale U, o-

rizzontale trasversale V e verticale W, è di difficileutilizzo nel campo vicino del getto, molto prossimoall’ugello, poiché il volume di controllo interferiscecon la sorgente del getto di densità, dando luogo amisurazioni errate. È ciò che si è evinto dai risultati

sperimentali, i quali hanno dunque portato a porrel’attenzione nella zona a valle dell’orifizio. Le figg.5 e 6 si riferiscono ai risultati sperimentali del campo medio delle velocità lungo il piano longitudinale(quindi, per ragioni di brevità, si riporteranno le solecomponenti medie della velocità U e W dei soli test2 e 8 di tabella 1, pur essendo state misurate e ana-lizzate le componenti fluttuanti turbolente di veloci-tà, che verranno presentate in altri lavori). La fig. 5si riferisce al getto con fondale liscio, mentre la fig.6 al medesimo getto in presenza di fondale scabro,essendo x l’asse orizzontale con origine nel punto baricentrico dell’ugello e z l’asse verticale con ori-gine sul fondo del canale.

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

X (cm)

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Z ( c m )

= 10 cm/s

Figura 5. Campo medio delle velocità lungo il pia-no longitudinale centrale del canale per il test T2.

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

X (cm)

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Z ( c m )

= 10 cm/s

Figura 6. Campo medio delle velocità lungo il pia-no longitudinale centrale del canale per il test T8.

Ignorando la zona sopra la sorgente del getto edistante circa 6 cm dal fondo, si nota come man ma-no che il getto si allontana dalla sua sezione di ef-flusso, i vettori delle velocità tendono a raggiungerela superficie libera con un andamento fortemente in-fluenzato dalla corrente presente nel canale e nor-




male alla direzione di uscita. Infatti, mentre inizial-mente, allorquando la quantità di moto prevalesull’effetto del galleggiamento, la direzione del get-to è pressoché verticale e poco soggettaall’inflessione per effetto della corrente, man mano

che lo stesso getto raggiunge la superficie il suo profilo tende a divenire parallelo al fondo del cana-le.

Il risultato caratteristico che si è raggiunto con ta-li esperimenti di laboratorio è il diverso comporta-mento che lo stesso getto assume in corrispondenzadei diversi fondali. Infatti, qualora il fondo del cana-le è liscio, i vettori delle velocità risultano esseremaggiormente deviati nella direzione orizzontale, adifferenza del caso in cui sono presenti le superficiondulate. Inoltre, all’aumentare dei valori dei para-metri caratteristici dei pannelli, quale la lunghezzad’onda λ e l’ampiezza ε, la traiettoria del getto e,dunque le sue componenti di velocità, presentanouna direzione più prossima alla verticale, come se laforma ondulare del pannello proteggesse il gettodall’effetto della corrente.

4.2 CAMPO DELLE TEMPERATURE

Diversamente dal campo delle velocità, per il campodelle temperature la frequenza di acquisizione è sta-ta molto più bassa. Pertanto, i risultati sperimentali

ottenuti si riferiscono solo al campo medio di temperatura e, in particolare, all’eccesso di temperaturaadimensionalizzato ΔT/ ΔT 0, dove ΔT rappresenta ladifferenza tra la temperatura media nel punto misu-rato e la temperatura media ambientale.

Le misurazioni sono state condotte a differenti di-stanze dal fondo e dalla sezione di uscita del getto.Le figg. 7 e 8 mostrano, a titolo di esempio, i profilidegli eccessi di temperatura del flusso idrico nellasezione centrale longitudinale del canale, che coin-cide con la sezione di simmetria del getto di densità,relativi agli esperimenti T2 e T8, caratterizzati dalmedesimo getto e di cui si sono presentate, in pre-cedenza, le componenti medie di velocità.

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

X/D

12

16

20

24

28

32

36

40

Z / D

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

Figura 7. Campo medio di ΔT/ ΔT 0 lungo il pianolongitudinale centrale del canale per il test T2.

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

X/D

12

16

20

24

28

32

36

40

Z / D

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.30.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

Figura 8. Campo medio di ΔT/ ΔT 0 lungo il pianolongitudinale centrale del canale per il test T8.

La dipendenza dei risultati dalla scabrezza sulfondo del canale è evidente confrontando la fig. 7,relativa alle condizioni di fondo liscio, con la fig. 8,che si riferisce ad una configurazione con fondale

scabro (si veda la tabella 1). Ancora una volta, sinota come il profilo del getto sia più prossimo aquello verticale nel caso di fondo scabro, con unadeviazione dalla traiettoria verticale che va decre-scendo con l’aumento dei parametri λ ed ε, così co-me è stato riferito durante l’analisi del campo mediodelle velocità.

4.3

TRAIETTORIA DEI GETTI DI DENSITÀ

L’effetto della scabrezza, presente sul fondo del ca-

nale sperimentale, sull’evoluzione del getto di den-sità nello stesso corpo idrico recettore, in cui è pre-sente una corrente normale alla direzione diimmissione del getto, è stato ulteriormente analizza-to prendendo in considerazione l’andamento dellatraiettoria dell’asse del getto per tutte le configura-zioni esaminate, come riportato in fig. 9. Per dia-grammare la traiettoria del getto, si sono riportati i punti a cui corrisponde il maggiore eccesso di temperatura nei diagrammi tipo quelli delle figg. 7 e 8,aventi per ascisse il rapporto x/D e per ordinate ilrapporto z/D, essendo z l’asse verticale. Come si e-

vince chiaramente, tutte le traiettorie hanno lo stessoandamento dal fondo fino ad una certa altezza. Suc-cessivamente, le stesse si differenziano per effettodelle diverse condizioni idrauliche iniziali del gettoe della corrente nel canale, come la velocità, la temperatura e la densità di entrambi i fluidi, e per effet-to della presenza delle superfici corrugate sul fonda-le. Le traiettorie meno deviate sono proprio quellerelative ai getti di densità immessi in presenza di pannelli caratterizzati da valori maggiori dei para-metri λ ed ε.

Per meglio evidenziare l’effetto della scabrezzasulla struttura del getto, in fig. 10 vengono riportati irisultati ottenuti per soli 4 esperimenti, per i quali




8

12

16

20

24

28

32

36

40

44

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

x/D

z / D

T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11

T12 T13 T14 T15 T16

Figura 9. Diagramma dimensionale dell’asse delgetto per tutti gli esperimenti eseguiti.

8

12

16

20

24

28

32

36

40

-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

x/D

z / D

T02 T08 T10 T15

Figura 10. Diagramma dimensionale dell’asse delgetto per i test T2, T8, T10 e T15.

si sono mantenute costanti le condizioni iniziali delgetto e della corrente e si è variata solo la superficiecorrugata del fondo del canale. Appare evidente,confrontando i risultati del test T2, per il quale si èadottata la configurazione di fondo liscio, con le al-tre tre traiettorie relative al caso di fondo scabro,come tale scabrezza influenzi fortemente la penetra-zione del getto. Le traiettorie delle configurazionicaratterizzate dallo stesso getto e da diversi valoridei parametri λ ed ε, e, quindi, da diversi tipi di scabrezza, pur presentando differenze tra loro, nonhanno evidenziato un effetto di variazione macro-

scopica della traiettoria stessa, come nel caso delconfronto tra i casi di presenza o assenza del fondalecorrugato.

4.3.1 CONFRONTO TRA MISURAZIONI E

LEGGI DI LETTERATURA

È noto in letteratura che i getti di densità hanno uncomportamento simile a quello di un getto puro in prossimità dell’ugello, dove prevale l’effetto dellaquantità di moto, e simile a quello di una piuma, con prevalenza del galleggiamento, lontano dalla sezio-ne di uscita. Considerando, dunque, la prima regio-ne, per cui è possibile trascurare l’effetto del galleg-giamento del getto di densità, la teoria definisce latraiettoria del getto stesso mediante l’equazione (4).La fig. 11 mostra che, per tutte le configurazioni incui il canale è con fondo liscio, i dati sperimentalirispettano a sufficienza la legge teorica sopra ri-chiamata, pur essendo getti di densità.

0.1

1

10

0.1 1x/rD

z / r D

z/rD = 2.05(x/rD) 0̂.28 Exp-T02 Exp-T03 Exp-T04

Figura 11. Confronto tra risultati sperimentali, perla configurazione a fondo liscio, e teorici datidall’equazione (4).

0.1

1

10

0.1 1x/rD

z / r D

z /rD = 2 .05(x/ rD) 0̂ .28 Exp-T05 Exp-T06 Exp-T07 Exp-T08

Figura 12. Confronto tra risultati sperimentali, perla configurazione a fondo scabro ( λ=76 mm edε=18 mm), e teorici dati dall’equazione (4).

È da evidenziare che tutti i dati sperimentali di fig.11 sono leggermente al di sopra della curva teorica.Lo stesso tipo di analisi è stato condotto per le altreconfigurazioni, caratterizzate da fondale scabro (si




veda la fig. 12). Ciò che risulta dall’analisi della fi-gura richiamata è che in tali casi i dati sperimentali presentano uno scostamento dalla legge teorica va-lida per getti puri, ponendosi sempre sensibilmenteal di sopra di essa. Le stesse conclusioni sono state

ottenute per le altre configurazioni non riportate perragioni di brevità. E’ possibile concludere, dunque,che lo scostamento dei dati sperimentali dalla leggeteorica sia imputabile all’effetto di galleggiamento edi fondale scabro non previsto dall’equazione (4).

5 CONCLUSIONI

Nel presente lavoro l’attenzione è stata diretta alcomportamento di un getto di densità in presenza dicorrente trasversale all’asse del getto stesso e con

fondale liscio o scabro. Lo scopo principale è statoquello di verificare l’influenza della turbolenza ge-nerata dal fondale scabro, effettivamente quasi sempre presente nelle reali condizioni di immissione,sulla diffusione degli scarichi in mare. Mediante uncomplesso modello fisico è stato possibile riprodur-re getti di densità, differenti in portata e temperatu-ra, in diverse configurazioni di fondo liscio e scabro. L’indagine è stata eseguita relativamente alcampo medio delle velocità e delle temperature lun-go il piano di simmetria del getto, coincidente con

quello longitudinale centrale del canale in cui lostesso è immesso. Tutte le indagini eseguite hannodimostrato che la presenza del fondo scabro ha unchiaro effetto sulla struttura del getto e dunque sullasua diffusione. L’analisi della traiettoria dei getti haevidenziato lo scostamento della stessa dalle leggiempiriche presenti in letteratura per i getti puri.

BIBLIOGRAFIA

V. H. Chu e M. B. Goldberg. Buoyant forced-

plumes in cross flow. Proc. ASCE, J. Hydraul. Div., 100(HY9):1203-14, 1974.

F. De Serio e D. Malcangio. Preliminaryinvestigation about circulation in Mar Piccolo ofTaranto. III Con. CONISMA, Bari, Italia, 27-29 Novembre, 2002.

F. De Serio, D. Malcangio, M. Mossa e A. F.Petrillo. Indagini di campo e simulazioninumeriche delle correnti di circolazione del MarPiccolo di Taranto. Giornate di studio su “La

difesa idraulica del territorio-2003”, Trieste,Italia, 10–12 Settembre, 2003.

H. B. Fischer, E. J.List, R. C. Y. Koh, J. Imberger e N. H. Brooks. Mixing in inland and coastal

waters. Academic Press, 1979.

R.L. Gordier. Studies on fluid jets dischargingnormally into moving liquid. St. Anthoni Falls

Hydraulics Lab., Univ. of Minnesota,Minneapolis, Tech Pap., 28, Ser. B, 1959.

J. F. Keffer e W. D. Baines. The round turbulent jetin a cross wind. Journal of Fluid Mechanics,8:481-496, 1963.

E. J. List. Turbulent jets and plumes. Ann. Rev.

Fluid Mechanics, 14:189-212, 1982.

D. J. Moore. Physical aspects of plume models. Air

& Water Pollut., 10:411-17, 1966.

M. Mossa. Turbulence of a non-buoyant jet in awave environment. Second International

Symposium on Environmental Hydraulics, HongKong, December 16th-18th, 1998.

M. Mossa e A. F. Petrillo. The effects of waves onthe jets of a sewage outfall diffuser. Meeting on

Coastal Zone Management in the Mediterranean

Region, Izmir, Turkey, 26th April-1st May, 2001.

M. Mossa. Experimental study on the interaction ofnon-buoyant jets and waves. Journal of

Hydraulic Research, IAHR, Vol. 42, No. 1, pp.

13-28, 2004a.M. Mossa. Behavior of Non-Buoyant Jets in a Wave

Environment , Journal of Hydraulic Engineering ,ASCE, Paper HY/2002/023036 accettato e in fasedi pubblicazione, 2004b.

I. Nezu e H. Nakagawa. Turbulent open-channel

flows. IAHR/AIRH Monograph, Balkema,Rotterdam, 1993.

B.D. Pratte e W.D. Baines. Profiles of the roundturbulent jets in a crossflow. Proc. ASCE, J.

Hydraul. Div., 92:53-64, 1967.C. H. B. Priestly. A working theory of the bent-over

plume of hot gas. Q. J. R. Meteorol. Soc., 82:165-76, 1956.

N. Rajaratnam. Turbulent jets. Elsevier ScientificPublishing Company, 1976.

S. J. Wright. Mean behaviour of buoyant jets in acrossflow. Proc. ASCE, J. Hydraul. Div.,103(HY5):499-513, 1977.

S. J. Wright. Buoyant jets in density-stratifiedcrossflow. Journal of Hydraulic Engineering ,110:643-656, 1984.

3 - diffusione di getti di densità in presenza di corrente su fondale liscio o corrugato 2004

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