Modello numerico di una corrente a pelo libero con portata gradualmente crescente. Analisi della capacità autopulente di un'opera di presa a trappola

The present thesis is focused on simulation through Computational Fluid Dynamics (CFD) of the hydraulic behavior of a trench intake in order to verify the self-cleaning capacity of the solid material. This construction is typical of small flowing water hydroelectric plants located in mountain areas and consists of a grafting, arranged transversely to the flow of the river, which collects the water filtered by a bottom rack. The theoretical reference for tracking the free surface profile of the spatially varied flow within the intake is provided by the approximate constant thrust model, while the experimental results considered were obtained from a physical scale model present in the laboratory G. Fantoli at the Politecnico di Milano and include measurements of the water profile and the quantity of solid deposited material. In order to validate the hypotheses made for the proposed theoretical model and the experimental results, the CFD Fluent software was used, which allowed to develop a three-dimensional model of the problem and to simulate the two-phase flow (water-air) by the multi-phase model VOF (Volume Of Fluid), implemented in the code, thus making greater clarity on the complexity of the flow within the intake channel. Based on the results of the numerical model, considerations on the solid transport mechanisms, both bed and suspension load, have been extracted, and on how much the particular manner of intake of the flow in the trench intakes contributes to the self-cleaning of the underlying channel. From the comparison between the tests considered it was possible to highlight the problems of each approach and to provide a more complete framework for a safe design of the intake trench.

Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla simulazione tramite Computational Fluid Dynamics (CFD) del comportamento idraulico di un'opera di presa "a trappola" con lo scopo di verificare la capacità autopulente dal materiale solido. Questa opera è tipica dei piccoli impianti idroelettrici ad acqua fluente localizzati in ambito montano e consiste in una tombinatura, disposta trasversalmente al flusso della corrente del fiume, che raccoglie al suo interno l'acqua filtrata grazie a una griglia metallica. Il riferimento teorico per il tracciamento del profilo libero della corrente spazialmente variata all'interno dell'opera è fornito dal modello approssimato a spinta costante, mentre i risultati sperimentali considerati sono stati ottenuti da un modello fisico in scala presente nel laboratorio G. Fantoli del Politecnico di Milano e comprendono misure dell'andamento del profilo idrico e della quantità di materiale solido depositato. Al fine di convalidare le ipotesi fatte per il modello teorico proposto e i risultati sperimentali si è fatto ricorso al software CFD Fluent, il quale ha permesso di sviluppare un modello tridimensionale del problema e di simulare il flusso bifase (acqua-aria) grazie al modello multifase VOF (Volume Of Fluid), implementato nel codice, facendo così maggior chiarezza sulla complessità del flusso all'interno del canale derivatore. Sulla base dei risultati del modello numerico sono state perciò estratte considerazioni sui meccanismi di trasporto solido, sia di fondo che in sospensione, e su quanto la particolare modalità di immissione della portata nelle opere di presa a trappola contribuisca all'autopulizia del canale sottostante. Sulla base del confronto tra le prove considerate è stato possibile mettere in luce le problematiche di ogni approccio e offrire un quadro più completo per una progettazione sicura dell'opera di presa.