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Simulazione numerica di un generatore di onde a pistone oscillante

Informazioni tesi

  Autore: Francesco Calabrese
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2010-11
  Università: Politecnico di Bari
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria meccanica
  Relatore: Pietro De Palma
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 129

Negli ultimi anni lo studio del moto ondoso è diventata una branca molto importante della fluidodinamica; infatti le molteplici applicazioni di tale studio hanno reso indispensabile un’analisi accurata del comportamento delle onde d’acqua: dall’erosione delle coste alla progettazione di piattaforme petrolifere, dalla progettazione di sistemi di protezione dalle mareggiate alla produzione di energia da fonti rinnovabili. La ricerca di fonti di energia alternative è diventato un tema molto attuale in questo periodo a causa del costante aumento di domanda di energia dovuto ai paesi emergenti (Cina e India su tutti) e della continua fatica con cui l’offerta di idrocarburi tenta di soddisfare tale domanda. In quest’ottica, volendo sfruttare l’energia delle onde, è indispensabile affrontare il problema attraverso uno studio approfondito della dinamica e degli effetti del moto ondoso. Poiché le onde sono soggette a innumerevoli forze e risultano dipendenti da altrettante variabili, si è reso necessario ricorrere a modelli riprodotti artificialmente in laboratorio che cercano di coglierne l’essenza del comportamento. Impiegando tali modelli, a fronte di una minore generalità rispetto al fenomeno naturale, è possibile estrapolare dati di grande rilevanza con diversi vantaggi: minor tempo e costo rispetto alle rilevazioni sperimentali; migliore controllo sui parametri dell’esperimento; riproducibilità dei test case; più facile adattamento delle sperimentazioni a più diversi ambiti scientifici. Si è scelto di approfondire il comportamento di onde prodotte artificialmente in laboratorio attraverso vasche di adeguata forma e dimensione provviste di un generatore di onde a pistone (piston-type wavemaker); partendo da test case più semplici si arriverà, nel corso della trattazione, a riprodurre la sperimentazione eseguita nel wave tunnel del Laboratorio di Ingegneria delle Coste (LIC) del Politecnico di Bari presente a Valenzano (BA). Per descrivere la fluidodinamica delle onde si ricorrerà ad un codice di CFD, “Computational Fluid Dynamics”, ovvero ad una simulazione numerica al calcolatore. Una simulazione virtuale permette di avere un più facile controllo del fenomeno, fissando i vari parametri, controllando le variabili in gioco e misurando istantaneamente i risultati ottenuti. Per le simulazioni sono state risolte le equazioni di Navier-Stokes non stazionarie per flussi incomprimibili discretizzate mediante un approccio ai volumi finiti utilizzando il software commerciale di simulazione fluidodinamica “Fluent”. Nella fase di preparazione (preprocessing) dei domini di calcolo è stato utilizzato il software “Gambit”; le griglie ottenute sono state poi importate in Fluent per essere utilizzate nella simulazioni.

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Teoria delle onde prodotte in acqua 8 Capitolo 1 TEORIA DELLE ONDE PRODOTTE IN ACQUA 1.1 Introduzione Verranno ora analizzate nel dettaglio le principali teorie sul moto ondoso oggetto del presente studio; inoltre, nel corso del capitolo, verranno descritte le modalità con cui tali teorie vengono implementate durante le prove sperimentali attraverso l’utilizzo di battionde per la produzione del moto ondoso artificiale. Saranno quindi esposte le principali equazioni che governano la dinamica delle onde seguendo le indicazioni di diversi studiosi che fino ad oggi hanno cercato di dare una formulazione matematica a tali fenomeni. 1.2 Teoria trocoidale di Gerstner (teoria rotazionale) La teoria di Gerstner, che risale al 1802, è la prima te oria del moto ondoso ed è relativa a onde che si propagano in acque di profondità illimitat a (acque alte); essa si basa sulle seguenti ipotesi: - la superficie del pelo libero è una superficie isoba rica e in un certo istante ha un andamento costituito da una serie di ondulazioni cilindriche che si propagano con celerità costante; le sottostanti superfici isobaric he hanno un andamento simile a quello dell’onda superficiale e si propagano con la stessa celerità; - le linee di intersezione tra le suddette superfici isobariche con un piano verticale, parallele alla direzione di propagazione delle onde, sono linee di flusso, per cui una particella liquida appartenente in un dato istante a una di queste linee resta sempre sulla linea stessa, la quale però si evolve nel tempo; la particella è quindi sottoposta a una pressione costante nel tempo; - le oscillazioni hanno un’ampiezza trascurabile rispetto alla lunghezza d ell’ onda per cui la teoria di Gerstner è una teoria del 1° ordine.

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Parole chiave

energia
simulazione numerica
volumi finiti
simulazione fluidodinamica
moto ondoso
wave tunnel
wave tank
cdf
pistone oscillante

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