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Hydraulic transients in pressure pipe systems - modelling and applications

01UIQRW

A.A. 2020/21

Course Language

Italian

Course degree

Doctorate Research in Ingegneria Civile E Ambientale - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 12
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Vesipa Riccardo   Ricercatore a tempo det. L.240/10 art.24-B ICAR/01 12 0 0 0 4
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Context
SSD CFU Activities Area context
*** N/A ***    
Gli impianti e i sistemi costituiti da condotte convoglianti fluidi in pressione sono ubiqui nelle opere civili (p.es., impianti idroelettrici e reti di distribuzioni idriche) e nei sistemi industriali (impianti antincendio, reattori chimici e impianti termotecnici). Tali sistemi sono soggetti a frequenti “manovre” atte a modificare e regolare le portate circolanti nelle tubazioni e/o le pressioni in determinati nodi. Queste manovre sono eseguite attraverso la modifica dell’apertura di valvole, o l’accensione o spegnimento di pompe. Dal punto di vista idraulico, ogni qualvolta si opera una manovra nell’impianto, si ha l’insorgenza di fenomeni di moto vario, ovvero di un transitorio in cui il sistema si adatta alle nuove condizioni di apertura delle valvole e di funzionamento delle pompe. Una caratteristica fondamentale dei fenomeni di moto vario è l’insorgenza di onde di pressione. Tali onde possono provocare fortissime oscillazioni di pressione (positive e negative) anche di decine di bar e tali da causare rotture e esplosioni che possono mettere a rischio l’integrità fisica dell’impianto e la sicurezza di operatori e utenti. Inoltre, la velocità di trasmissione delle onde nelle condotte, seppure elevata, è finita, e ciò introduce ritardi tra l’esecuzione di una manovra e il manifestarsi dei suoi effetti. Lo studio del moto vario è quindi estremamente importante, in ambito professionale e applicativo, per il corretto dimensionamento strutturale degli impianti, per la valutazione della loro sicurezza e per la progettazione dei sistemi di regolazione a retroazione di portate e pressione. In quest’ottica, l’obiettivo del corso è triplice. In primo luogo, si intende fornire ai partecipanti gli strumenti concettuali, modellistici e numerici per trattare, in modo quantitativo, il problema del moto vario nelle condotte in pressione. In secondo luogo, si mostreranno alcuni casi studio e applicazioni reali rilevanti nel campo dell’Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica. Infine, si fornirà ai partecipanti un codice numerico, realizzato in Matlab, per la simulazione dei fenomeni di moto vario nelle più comuni e diffuse applicazioni civili e industriali.
Plants and systems made up of pressure pipelines are ubiquitous in civil infrastructures (e.g., hydroelectric power plants and water distribution networks) and in industrial equipment (fire-fighting systems, chemical reactors and thermal plants). In these systems, the flow rate in the conduits and/or the pressure at critical nodes have to be controlled and regulated. To do this, the opening of valves is often changed, and pumps can be turned on or off. These operations are often defined as “maneuvers”, and cause hydraulic transients. During these hydraulic transients, flow rates and pressure tend to adjust to the new valve opening and pump operating setup, and unsteady flow conditions arise. A fundamental characteristic of unsteady flow is the onset of pressure surges. These surges can induce very high pressure fluctuations (positive and negative) up to tens of bars. These pressure peaks can in turn cause breakages and explosions that can jeopardize the physical integrity of the system as well as the safety of operators and end-users. Moreover, pressure surges propagate in conduits with a high but finite velocity. This may cause delays between the execution of a maneuver and the actual display of its effects. The analysis of hydraulic transients is therefore extremely important –from a practical point of view– for the structural design of the system components, for the evaluation of the equipment and infrastructure safety, and for the design of the feedback-regulation controllers of flow and pressure. In this context, the aim of this course is threefold. In the first place, the conceptual, modeling and numerical tools to quantitatively deal with unsteady flow and hydraulic transients in pressure pipe systems will be given. Secondly, some real case studies and relevant applications in the field of Civil, Environmental and Mechanical Engineering will be shown. Finally, a code written in Matlab and aimed at numerically simulate hydraulic transients in the most common and widespread civil and industrial applications will be shown, explained, and thoroughly used and tested.
Nessuno
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Programma (lezioni di 2h) Lezione 1 – Spiegazione concettuale e fisica dei fenomeni di moto vario: esempi della chiusura di una turbina in un impianto idroelettrico e spegnimento di una pompa in una stazione di sollevamento. Derivazione delle equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE) governanti i fenomeni di moto vario nelle condotte in pressione. Lezione 2 - Applicazione del metodo delle caratteristiche per la trasformazione delle PDE in equazioni alle derivate ordinarie (ODE). Schema numerico per la soluzione delle ODE. Derivazione dello schema numerico da utilizzare per implementare le condizioni al contorno descriventi una valvola posta a fine condotta e di un serbatoio posto a inizio condotta. Lezione 3– Illustrazione e utilizzo di un programma Matlab per la simulazione del moto vario in una condotta limitata a monte da un serbatoio e a valle da una valvola. Studio numerico delle sovrappressioni derivanti dalla chiusura della valvola e delle oscillazioni di pressione e portata nella condotta. Lezione 4 – Modelli matematici per la descrizione di condizioni al contorno utili nel campo dell’ingegneria civile e impiantistica: pompe, diramazioni, cambi di diametro, macchine idrauliche. Derivazione dello schema numerico da utilizzare per implementare tali condizioni al contorno. Lezione 5 – Aggiornamento e modifica del programma Matlab presentato nella lezione 2 per la simulazione del moto vario in semplici circuiti industriali e civili. Lezione 6 – Alcuni casi reali notevoli: instabilità del sistema di retroazione in impianti in pressione, studio delle onde di pressione causate dal moto vario al fine dell’individuazione e localizzazione di fughe in adduttrici acquedottistiche, rottura di una valvola in un sistema antincendio in fase di collaudo, cavitazione in condotte in pressione a seguito di fenomeni di moto vario.
Lesson 1 - Conceptual and physical explanation of unsteady flow and hydraulic transients: shutting off a turbine in a hydroelectric power plant and switching off a pump in a lifting station. Derivation of the partial differential equations (PDE) that govern the phenomena of unsteady flow in pressure pipe systems. Lesson 2 - Application of the method of the characteristics for the transformation of PDEs into ordinary differential equations (ODE). Numerical scheme for the solution of the ODEs. Derivation of the numerical scheme for modelling a valve placed at the downstream end of a conduit and of a tank located at the upstream end of the conduit. Lesson 3- Explanation and use of a Matlab code for simulating the hydraulic transients in a conduit bounded by a tank in the upstream end and by a valve in the downstream end. Numerical evaluation of the hydraulic effects of the shutting of the downstream valve: overpressures and pressure and flow oscillations in the conduit. Lesson 4 - Mathematical models for the description of boundary conditions useful in the field of civil and mechanical engineering: pumps, branches, diameter changes, hydraulic machines. Derivation of the numerical scheme to implement these boundary conditions. Lesson 5 - Update of the Matlab code explained in lesson 2 for the simulation of hydraulic transients in simple industrial and civil circuits. Lesson 6 – Explanation of some noteworthy real cases: instability of the feedback controller in pressure pipe systems, analysis of pressure oscillations caused by hydraulic transients for the identification and location of leaks in water mains, failure of a valve in a fire-fighting system during a test-activation, cavitation in pressure pipelines as a result of flow transients.
A distanza in modalità sincrona
On line synchronous mode
Presentazione report scritto
Written report presentation
P.D.2-2 - Maggio
P.D.2-2 - May


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