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Un deviatore di flusso per una turbina idraulica a flusso incrociato presenta una sezione di uscita atta ad essere collegata alla sezione a valle della condotta idraulica per l’immissione di un flusso in uscita del fluido liquido in pressione con un vettore di velocità di uscita avente modulo di uscita (Vo) e direzione di uscita (do) predeterminati, un condotto di scarico per il ripristino del vettore velocità di detto flusso in uscita al modulo in ingresso ed a una direzione di uscita sostanzialmente parallela o coincidente con detta direzione di ingresso (di), in cui detto deviatore comprende, un primo settore immediatamente a valle di detta girante ed atto a variare la direzione del flusso in uscita dalla girante da radiale a tangenziale, un secondo settore a valle di detto primo settore ed in continuità fluidica con lo stesso ed avente una prima ed una seconda parete laterale opposte configurate per determinare un’accelerazione costante del flusso, un terzo settore a valle di detto secondo settore ed in continuità fluidica con lo stesso ed avente una prima ed una seconda parete laterale opposte curvilinee ed in continuità rispettivamente con detta prima e detta seconda parete laterale di detto secondo settore, un quarto settore a valle di detto terzo settore ed in continuità fluidica con lo stesso ed avente una sezione di uscita in collegamento con il tratto a valle della condotta per lo scarico del fluido con detta velocità di uscita, in cui dette prima e seconda pareti laterali di detto terzo settore comprendono ognuna un primo ed un secondo tratto curvilinei e definenti archi di cerchio di circonferenze reciprocamente concentriche ed in cui detto primo tratto di detta prima parete laterale di detto terzo settore e detta prima parete laterale di detto secondo settore definiscono un arco di cerchio di una stessa circonferenza avente un primo raggio (Rp) predeterminato.

Obiettivo della ricerca è l’acquisizione delle informazioni idrologiche ed idrauliche deducibili dall'analisi di idrogrammi di livelli sincroni misurati in due diverse sezioni del fiume Crati mediante l'utilizzo di un modello idraulico di propagazione.

The indirect measurement technique for discharge estimation, based on water level data analysis in two different river sections, is extended to the case of existing significant tributary flow between the two sections. The methodology is based on the calibration of a numerical flow routing algorithm, solving the Saint-Venant equations in diffusive form along the main channel between the two measurement sections. The first calibration parameter is the average Manning's roughness coefficient holding in the main channel, the other ones are relative to the rating curve of each tributary channel, estimated per unit roughness coefficient and per unit slope immediately before the junction of the tributary with the main channel. The new methodology is tested against different flood events observed along one gauged river reach: the Alzette river basin, in Luxembourg. The applied MAST hydraulic model solves the diffusive wave equations using the observed stage hydrograph at the upstream section as boundary condition. The observed stage hydrograph at the downstream section is used as benchmark function for the computation of the objective function to be minimized trough calibration. Field tests include comparison of the numerical results with historical discharge and water depth data available in the Alzette river.

Le equazioni 2D del Saint-Venant (SV), o delle acque basse (shallow water), si utilizzano ampiamente per le simulazioni idrodinamiche in fiumi, laghi, zone di estuari e zone golenali. Come ampiamente descritto in letteratura, in base ai termini che si trascurano nell'equazione del momento, si possono distinguere modelli completi, cinematici, diffusivi e a zero inerzia convettiva. Escludendo eventi estremi di shock, nella normalità dei casi relativi a fenomeni di inondazione, si possono trascurare i termini inerziali nell'equazione del momento, ottenendo il modello diffusivo. La scelta del modello da utilizzare dipende anche dalla disponibilità e dall'accuratezza dei dati di input (Smith et al., 2004), nonché dall'accuratezza richiesta ai risultati dal problema gestionale che motiva l'uso del modello. I dati di input sono per esempio la topografia, le proprietà idrauliche dei tratti di fiume e delle zone golenali, la conoscenza degli idrogrammi di ingresso. La soluzione del modello completo è molto sensibile all'errore commesso nella stima delle quote topografiche (Aricò et al., 2011), mentre il modello cinematico non è in grado di simulare processi di backwater. Nel presente lavoro si propone un modello diffusivo che è particolarmente adatto alla simulazione degli eventi di piena, quando il dominio di calcolo è costituito dalla parte centrale del canale, in cui si realizza una propagazione di tipo sostanzialmente monodimensionale, nonché dalle fasce laterali, dove la corrente può divagare secondo uno schema tipicamente bidimensionale. Il modello proposto è di tipo predizione-correzione e garantisce la conservazione della massa, sia localmente che globalmente. Le equazioni di governo sono risolte su mesh miste, composte da domini 2D, discretizzati con elementi triangolari, e da domini 1D discretizzati da elementi quadrilateri. Nei domini 1D si assume una quota piezometrica costante nella direzione normale al flusso, nonché la relazione fra il gradiente piezometrico e la portata data dalla legge di resistenza propria delle sezioni di forma complessa. I flussi scambiati lateralmente con il dominio 2D sono calcolati invece in base alla discretizzazione spaziale degli elementi triangolari. Ciò consente di calcolare il flusso principale, nella direzione dell'alveo, tenendo conto mediante la legge di resistenza anche degli sforzi turbolenti causati dai vortici con asse verticale all'interno dell'alveo, sforzi che altrimenti verrebbero trascurati anche applicando un tradizionale modello completo 2D di acque basse. Utilizzando la schematizzazione suddetta è altresì possibile evitare un drastico aumento della densità della mesh all'interno dell'alveo, altrimenti necessario per una corretta rappresentazione del fondo. Un ulteriore vantaggio dell'approccio diffusivo consiste nel fatto che l'onere computazionale risulta poco più che proporzionale al numero di elementi di calcolo e non vi è per la stabilità delle soluzione alcuna restrizione del passo temporale, in base al massimo numero di Courant calcolato nel dominio di calcolo. L'approccio diffusivo consente infine di trattare facilmente le discontinuità esistenti lungo gli elementi 1D a causa di briglie o salti, ovvero a causa di pareti laterali sub-verticali. Il sistema di equazioni di governo alle derivate parziali si risolve ad ogni livello temporale frazionandolo in un sistema di predizione ed uno di correzione. Si dimostra che il sistema di predizione ha le caratteristiche funzionali di un problema puramente convettivo, mentre quello di correzione ha le caratteristiche funzionali di un problema puramente diffusivo. L'input del modello è costituito, per il dominio 1D, dalla geometria delle sezioni trasversali degli elementi 1D, assegnate mediante serie di punti quotati, nonché dalle linee di livello e/o da singoli punti quotati per quanto concerne il dominio 2D. Il software denominato NETGEN (Schöberl, 1997), genera quindi una o più mesh triangolari, separate dai canali del dominio 1D. Questi vengono eventualmente frazionati in più elementi di lunghezza inferiore, mediante l'inserimento di nodi che sono condivisi sia dai lati dei triangoli adiacenti che dai lati degli elementi quadrilateri. Nel modello proposto, le celle di calcolo sono in numero pari al numero dei nodi computazionali. Per i nodi che si trovano nel dominio 2D la cella di calcolo coincide con il poligono di Voronoi definito intorno al nodo, per i nodi che appartengono sia al dominio 2D che ai canali 1D, la cella di calcolo è data dall'unione dei poligoni di Voronoi relativi ai triangoli che condividono i due nodi sul lato generico del canale ortogonale alla direzione dell'alveo, più la metà della superficie di ognuno dei due elementi quadrilateri che condividono lo stesso lato. Il problema di predizione si risolve mediante una tecnica ad avanzamento spaziale e temporale (MAST), dove i flussi sono calcolati seguendo un approccio di tipo Euleriano e dove le celle di calcolo sono risolte secondo un particolare ordine, che garantisce la conoscenza dei flussi entranti in ogni cella immediatamente successiva a quelle già risolte. Nel problema diffusivo i flussi sono calcolati risolvendo un sistema lineare con M-matrice, sparsa, simmetrica e definita positiva. La dimensione del sistema è pari al numero delle celle di calcolo. La formulazione proposta è in grado di gestire processi wetting/drying senza richiedere alcun trattamento specifico. L'applicazione della suddetta procedura MAST è stata proposta in passato, coerentemente con l'approssimazione diffusiva, ignorando la presenza dei risalti idraulici. Nel presente lavoro la presenza dei risalti, e la conseguente dissipazione di energia, viene invece ricostruita ipotizzando un movimento lento del risalto, ed individuandone la posizione all'interno di tre sezioni. La prima sezione deve corrispondere ad una corrente veloce, la terza ad una corrente lenta. Il risalto viene localizzato tra la prima e la seconda sezione se la spinta totale della seconda è minore della terza, fra la seconda e la terza viceversa. Nel problema di predizione la sezione iniziale del risalto viene trattata come una sezione di valle con condizione al contorno di diffusione nulla. Nel problema di correzione si trascura invece la diffusione nel canale compreso fra le due sezioni precedente e seguente il risalto.

L'energia idroelettrica è una forma di energia rinnovabile che oggi sta subendo un profondo processo di trasformazione passando da un sistema centralizzato di produzione ad un sistema di tipo distribuito. Tale processo ha dato un forte impulso alla costruzione di impianti di produzione idroelettrici su piccola scala. Questi impianti si possono realizzare: 1) lungo piccoli corsi d'acqua con piccoli salti disponibili, 2) alla fine di lunghe condotte di adduzione in corrispondenza della sezione di consegna ad un serbatoio cittadino, 3) nelle reti di distribuzione idriche dove il carico piezometrico in eccesso si dissipa con valvole di regolazione, 4) a valle di impianti di depurazione nel caso siano disponibili dei salti nella restituzione. Nel caso di reti idriche l'energia prodotta da questi piccoli impianti può essere utilizzata dal gestore per ridurre i costi energetici e dunque migliorare la gestione degli stessi. D'altra parte siffatte installazioni richiedono turbine e sistemi di controllo atti a mantenere buone efficienze di produzione al variare delle portate turbinate (Laghari et al. 2013). Viceversa, le apparecchiature tradizionali sono finalizzate a lavorare in grandi centrali con portate molto regolari ed il loro utilizzo non può essere facilmente adattato a sistemi mini e micro idroelettrici. Pertanto al fine di migliorare l'efficienza e ridurre i costi complessivi del mini idroelettrico, ricercatori e studiosi stanno analizzando la possibilità di utilizzare turbine idrauliche di nuova concezione, munite di dispositivi di controllo della portata e di sistemi per la regolazione elettrica della velocità di rotazione (Williams e Simpson, 2009; McAdam et al. 2013). Tra le micro turbine le Cross-Flow sono quelle che presentano un miglior rapporto qualità/prezzo, anche se hanno generalmente un'efficienza inferiore alle turbine Pelton e Francis. In questo studio viene presentato un lavoro sperimentale effettuato per testare le prestazioni di una turbina Cross-Flow economica e di alta efficienza, progettata seguendo un approccio teorico precedentemente sviluppato dagli stessi autori e verificato mediante una serie di simulazioni numeriche eseguite con il codice CFX-Ansys (Sammartano et al. 2013). La progettazione assume che il massimo rendimento della turbina si abbia quando la velocità relativa tangenziale Vt (Vcosα) è due volte la velocità di rotazione della girante U (R). Inoltre, la velocità in prossimità dell'ingresso della girante V è posta proporzionale alla radice quadrata del carico totale nella stessa sezione H, considerando un coefficiente di proporzionalità costante per data geometria Cv, così come evidenziato nell'equazione (1). I valori di Cv utilizzati di solito per questo approccio sono prossimi all'unità (Cv ≈ 0.98), come per le turbine Pelton o Turgo (Chattha et al. 2010, Zia et al. 2010). Tale approssimazione è però accettabile solo se la pressione assoluta in ingresso nella girante è prossima a quella atmosferica. Alcuni studi numerici hanno messo in evidenza che in prossimità della girante si hanno pressioni relative non nulle (Yang et al. 2010, De Andrade et al. 2011, Sammartano et al. 2013). L’analisi numerica di Sinagra et al. (2013) evidenzia che il Cv non è prossimo ad 1, ma ricade nel range 0.75 ÷ 0.85. Al fine di indagare nei riguardi dell'efficacia della procedura di progettazione e del coefficiente di velocità è stato progettato e costruito un prototipo di Cross-Flow presso il laboratorio dell'istituto INAF dell'Università di Palermo. Una serie di prove sperimentali sono state quindi condotte utilizzando un banco di prova costruito presso il laboratorio di Idraulica dell'Università di Palermo. L'impianto sperimentale è costituito da un banco di prova del prototipo e da un circuito di ricircolo che alimenta il prototipo di Cross-Flow. Il banco di prova è costituito da: 1) un torsiometro che misura la coppia meccanica e la velocità di rotazione; 2) un generatore sincrono da 15 kW con 4 poli (1500 r.p.m.) collegato alla turbina tramite una coppia di pulegge con rapporto di trasmissione 1:2; 3) un banco di resistenze elettriche per dissipare il carico elettrico. La potenza idraulica disponibile istantaneamente è valutata a mezzo di un misuratore ultrasonico di velocità e di un manometro installato nella sezione di ingresso del distributore. La misura delle grandezze idrauliche e meccaniche è effettuata tramite un sistema di schede analogiche e digitali collegate ad un PLC. I risultati dei test preliminari, effettuati per un valore di quota piezometrica costante e pari a 4 m, mostrano che i valori sperimentali dell'efficienza della macchina sono poco superiori a quelli calcolati tramite le simulazioni effettuate con il codice CFX (Fig. 1a) e che il massimo si ha per un valore di Vt/U =1.8. Inoltre, in accordo con i risultati ottenuti con le simulazioni si osserva come il coefficiente Cv ricade nel range 0.75 ÷ 0.85 (Fig. 1b), assumendo valori più alti in prossimità del punto di progetto (Vt /U = 2). Il coefficiente di velocità sembrerebbe effettivamente influenzato dalla contropressione esercitata dalla girante e dalla velocità di rotazione della girante.

La memoria descrive una nuova micro turbina idraulica con capacità di regolazione della portata, per installazioni in piccoli corsi d’acqua, su acquedotti esistenti o a valle di impianti di depurazione delle acque. Viene inoltre descritta l’installazione del prototipo della turbina nella rete idropotabile di un comune siciliano.

The use of micro hydroelectric plant in urban pipe networks, based on the combination of a PAT, two regulating valves and two pressure meters, is proposed along with simple automation rules. Its economic benefit is tested on a small pipe network, where the network geometry, as well as the demand coefficient variation in time and space have been inferred from previously collected data and existing analysis. A similar analysis has been also carried out for different scenarios, where the reduction of pipe installation cost due to a diameter reduction is compared with the increased benefit in energy production. The case study shows that a small increment of the pipe installation cost, with respect to the minimum required by the nodes minimum pressure, can lead to a larger benefit for energy production.