Feasibility study for the design of the water tunnel of the Americas at Panama Canal (WTAPC)

A water tunnel is an experimental facility that is used for testing the behavior of submerged bodies in flowing water, in order to gain a better understanding of the mechanics of fluid-structure interaction and create the knowledge base to devise better solutions for a variety of engineering structures. The proposed Water Tunnel at the Americas at Panama Canal (WTAPC) will be the top water tunnel facility in the world, based on size of the test section (4 x 4 x 20 m), flow speed (20 m/s), and Reynolds numbers attainable (2x107). The aim of this dissertation is to show how all the engineering issues related to the first feasibility study for the design of the WTAPC had been faced and solved. As first, we dealt with the location issue, then we focused on the one-dimensional hydrodynamic model, in order to get a first coarse understanding of the velocity and pressure fields inside the whole facility, and to find the best solution in terms of geometry and number of inlet pipes. With a CFD analysis we proved the one-dimensional model results, and we designed the different elements of the structure (nozzle, test section, etc) in order to get the flow as uniform as possible. We then provided a preliminary structural design of the test tunnel, according to the European standards (EN 1993). Finally, we discussed the design of the test on a rigid still/oscillating circular cylinder, in the WTAPC, analyzing in particular the proper setup required for such a test

Un water tunnel è un impianto sperimentale usato per testare il comportamento di corpi immersi in un flusso d’acqua, al fine di approfondire lo studio della meccanica dell’interazione fluido-struttura e di creare la base conoscitiva per concepire migliori soluzioni ingegneristiche a livello strutturale. Il Water Tunnel of the Americas at Panama Canal (WTAPC) primeggerebbe tutti i water tunnel del mondo in termini di dimensioni della test section (4 x 4 x 20 m), velocità di flusso (20 m/s), e numero di Reynolds raggiungibile (2x〖10〗^7). Lo scopo di questa tesi è di mostrare come sono state affrontate e risolte tutte le varie problematiche ingegneristiche connesse al primo studio di fattibilità per il progetto del WTAPC. Come prima cosa è stato trattato il problema della location, è stato analizzato quindi un modello idraulico monodimensionale al fine di ottenere un primo risultato di distribuzioni di velocità e pressioni all’interno dell’impianto, e di trovare la miglior soluzione per la geometria e i tubi di alimentazione. Con una successica analisi CFD sono stati comprovati i risultati del modello monodimensionale e sono stati disegnati i vari elementi della struttura (nozzle, test section, ecc), al fine di ottenere il flusso più omogemeo possibile. È stato quindi proposto un primo studio di predimensionamento strutturale della test section, seguendo la normativa europea (EN 1993). È stato infine progettato all’interno del WTAPC il test su cilindro rigido a sezione circolare, sia fisso che mobile, investito da corrente d’acqua, analizzando in particolare la strumentazione richiesta per un test di questo tipo.