Indagine sull’aerodinamica ad alti numeri di Reynolds della torre di un ponte strallato : simulazioni numeriche e prove in galleria del vento

This work deals with the aerodynamic behavior of a section of a tower of a cable-stayed bridge under construction in Edimburgh, Scotland, named Forth Replacement Crossing (FRC). Slender high rise structures, such as the towers of this bridge, could have a critical behavior under the effects of turbulent wind. In fact instability phenomenons, as vortex shedding, can trigger and induce high vibrations to the structure. Tests carried out in the wind tunnel of the Politecnico di Milano pointed out an unexpected behavior of the aerodynamic coefficients. A double fluidodynamic configuration around the body was found. Those results arouse questions about the possible problems connected to scale effects and of their influence in the prediction of the effective behavior of the real structure. To improve the understanding of the wind tunnel results, CFD numerical simulations were carried out with the aim to reproduce the experimental results. In this work is presented the first set of wind tunnel tests with the 1/30 model. Then the results obtained from the CFD are presented. Afterwards the new experimental tests carried out using a bigger model (scaled 1/18), in order to reduce scale effects and to increase the nominal Reynolds number are shown. Finally the last part of the present work contains the results achieved in both the wind tunnel test sections, which differ for the turbulence levels of the incoming flow. Additional numerical simulations, that are still in development, are made in order to explain in detail the phenomena emerged experimentally.

Il lavoro di tesi riguarda il comportamento aerodinamico della sezione di una torre del ponte strallato Forth Replacement Crossing (FRC) in costruzione ad Edimburgo, Scozia. Strutture alte e snelle, come le torri di sostegno di questo ponte, possono presentare un comportamento critico quando sono soggette all’azione del vento. Si possono infatti innescare meccanismi di instabilità come per esempio quello associato al distacco di vortici che può indurre oscillazioni elevate nella struttura. La campagna di prove sperimentali di caratterizzazione svolta nella galleria del vento del Politecnico di Milano ha evidenziato un comportamento inaspettato dell’andamento dei coefficienti aerodinamici. Si è infatti presentata la possibilità di una doppia configurazione fluidodinamica del flusso attorno al corpo. Questi risultati hanno suscitato questioni sui possibili problemi dovuti agli effetti di scala ed alla loro influenza nel predire l’effettivo comportamento al vero della struttura. Si è dunque ampliata l’analisi di questo fenomeno con il supporto di simulazioni numeriche CFD per poter disporre di una miglior comprensione del comportamento aerodinamico della torre e con l’intento di riprodurre ciò che si è verificato sperimentalmente. Nel presente lavoro viene presentata la prima campagna di prove, in galleria del vento col modello in scala 1/30, a cui seguono i risultati ottenuti con i codici numerici. In seguito si espongono le prove sperimentali effettuate con un modello in scala minore (1/18) effettuate sia per ovviare agli effetti di scala sia per aumentare il numero di Reynolds nominale. Vengono dunque mostrati i risultati ottenuti nelle due camere di prova a disposizione nella galleria del vento per le quali si differenziano per le condizioni di turbolenza del flusso incidente. A queste ultime prove sperimentali seguono addizionali simulazioni numeriche che sono tutt’ora in fase di sviluppo al fine di analizzare più in dettaglio i fenomeni emersi sperimentalmente.