Prefazione
La scienza è costruita coi fatti allo stesso modo con cui
una casa è costruita di mattoni, ma non costituisce più
scienza un’accumulazione di fatti di quanto una pila di
mattoni faccia una casa.
Henry Poincaré
Sagredo: “Io son molte volte andato meco medesimo
considerando quanto grande sia l’acutezza
dell’ingegno umano; e mentre io discorro per tante e
tanto meravigliose invenzioni… poi fo riflessioni sul
saper mio, tanto lontano dal potersi permettere non
solo di ritrovarne alcuna di nuovo, ma anco di
apprendere delle già ritrovate, confuso dallo stupore e
afflitto dalla disperazione, mi reputo poco meno che
infelice… Ma sopra tutte le invenzioni stupende, qual
eminenza di mente fu quella di colui che s’immaginò di
trovar modo di comunicare i suoi più reconditi pensieri
con i vari accozzamenti di venti caratterizzi sopra una
carta…”.
Galileo,
al termine della giornata prima dei Dialoghi
A tutti gli amanti dello studio e della lettura, con
l’intento di aiutarli a non cadere nella disperazione di
non capire.
La sicurezza urbana dipende anche dal corretto funzionamento del sistema
fognario, al fine di evitare l’allagamento di aree densamente popolate. Nel corso degli
ultimi decenni l’efficienza dei sistemi fognari esistenti è stata spesso compromessa da
una combinazione di fattori, quali lo sviluppo urbano, il continuo aumento di superfici
impermeabili, l’invecchiamento strutturale, la progettazione impropria degli accessori
delle fognature, piuttosto che dai cambiamenti climatici. La protezione dagli
allagamenti dei centri urbani situati in zone collinose è particolarmente difficile a
causa di due particolari problemi: (a) arrestare la corsa dell’acqua proveniente dai
bacini naturali a monte delle aree urbane, e (b) convogliare grandi portate attraverso
ripide pendenze. Per questa ragione, la progettazione idraulica di appropriate strutture
di scarico è cruciale per deviare portate notevoli verso collettori fognari aventi
Prefazione
VIII
notevole pendenza. In realtà, i pozzi di scarico a vortice, introdotti per la prima volta
da Drioli (1947) come strutture di scarico per dighe, sono largamente usati nei sistemi
fognari per collegare collettori caratterizzati da forti differenze di quote. Un pozzo di
scarico a vortice è essenzialmente costituito da tre componenti principali: (I)
dispositivo di immissione a vortice, (II) pozzo verticale, e (III) camera di dissipazione
(Fig. 1). Inoltre, occorre fornire una sufficiente circolazione d’aria per prevenire
fenomeni di occlusione e danni da cavitazione.
Fig. 1 Schizzo dimostrativo di un pozzo di scarico a vortice
Il flusso attraverso una struttura di scarico a vortice è alquanto complesso, a
causa di tipiche caratteristiche tridimensionali e per la presenza di una corrente
composta da due fasi costituite da una miscela di aria e acqua. Di conseguenza, il
comportamento idraulico del pozzo di scarico a vortice è stato studiato
prevalentemente per via sperimentale attraverso modelli fisici. Sono attualmente
disponibili dei criteri generali di progettazione, ma essi si concentrano essenzialmente
sulla struttura di imbocco e sul pozzo verticale. I modelli più comuni di strutture di
imbocco sono ad elica (Drioli, 1947), a spirale (Kellemberger, 1988) o tangenziale
(Jain e Kennedy, 1983) e la scelta della geometria della stessa dipende essenzialmente
dalle caratteristiche idrauliche della corrente in ingresso, quale il numero di Froude;
sono disponibili linee guida di progettazione per i tipi ad elica e a spirale (Vischer e
Hager, 1995; ATV 1998), e recentemente anche per il tipo tangenziale (Yu e Lee,
2009). Le principali caratteristiche idrauliche del flusso di aria e acqua attraverso il
Prefazione
IX
pozzo sono descritte da Hager (1999), che fornisce anche consigli utili per la
progettazione. La camera di deaerazione rappresenta senza dubbio la parte critica per
quanto riguarda le scarse conoscenze in merito; sono disponibili solo pochi dati
sperimentali che si riferiscono essenzialmente allo studio di casi specifici, tanto che la
sua geometria assume di solito una forma scatolare e i relativi criteri di progettazione
sono generalmente basati sulle caratteristiche complessive di scarichi a vortice già
esistenti (Kellemberger, 1988; Hager, 1999). Balah e Bramley (1989) hanno proposto
una cosiddetta struttura di scarico “a vortice inverso”, raccomandata principalmente
per pozzi di scarico di piccolo e medio diametro. La geometria proposta per la camera
di deaerazione è complessa quanto quella della struttura di imbocco ed è aggiunto un
diaframma ad anello per migliorare la prestazione idraulica in termini di dissipazione
di energia. Sulla base dei loro risultati sperimentali, gli autori hanno suggerito alcuni
criteri di progettazione per questa particolare struttura, la cui applicazione è senz’altro
meno frequente rispetto alla tipica camera di dissipazione in forma scatolare,
probabilmente a causa degli elevati costi di costruzione. Da qualche anno, presso il
laboratorio di Idraulica del Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Geotecnica ed
Ambientale dell’Università di Napoli “Federico II”, è in corso una sistematica
campagna sperimentale sui pozzi di scarico a vortice che mira anche a ravvivare un
classico argomento che è stato tradizionalmente studiato dagli idraulici napoletani
(Pica, 1970; Viparelli, 1950).
Introduzione
La rete di drenaggio rappresenta l’insieme di opere di ingegneria idraulica
finalizzate alla raccolta, al convogliamento e allo smaltimento delle acque reflue e
meteoriche.
Le acque reflue (acque nere) derivano dagli usi domestici legati
all’insediamento civile, al metabolismo umano e alle attività domestiche; esse
provengono soprattutto da edifici in cui si svolgono attività industriali o commerciali.
Le acque meteoriche (acque bianche) si formano per effetto della pioggia che
cade al suolo.
La rete fognaria è costituita da una serie di canali che percorrono tutte le strade
da servire e ne allontanano le acque; il deflusso delle portate avviene, per lo più, per
naturale gravità. Le reti delle fogne sono costituite prevalentemente da canali a pelo
libero: per tale motivo, l’andamento della rete è strettamente legato alla
conformazione topografica del terreno e, principalmente, alla sua altimetria. La
definizione del tracciato di una rete di fognatura è uno dei problemi più complessi
dell’Idraulica, in quanto devono essere considerati, oltre agli aspetti tecnici, anche
quelli igienici ed economici. Le velocità massima e minima nei canali fognari devono
essere opportunamente verificate per garantire il corretto funzionamento del sistema.
Le velocità minime si raggiungono per le portate minime e perciò si hanno
quando defluisce la sola portata nera, che è la portata di tempo asciutto. Il minimo
valore ammesso è pari a 0,50 m/s, mentre valori inferiori determinerebbero fenomeni
di deposizione di sedimenti e sostanze organiche, con riduzione dell’efficienza
idraulica e igienica della fogna.
Le velocità massime si raggiungono per le portate massime pluviali, che sono le
portate in tempo di pioggia; il massimo valore che può essere ammesso è pari a 5 m/s,
poiché valori superiori determinano condizioni di deflusso idraulico disordinato e
fenomeni di abrasione dei canali.
Il buon funzionamento di una rete è collegato all’andamento altimetrico del
piano stradale; è possibile svincolarsi da esso sempre facendo in modo che le spese
per maggiori approfondimenti non siano eccessive. Quando le pendenze superficiali
dell’abitato sono notevoli, si dispongono dei manufatti di caduta, nei quali le acque
disperdano il carico eccedente, potendo così conferire ai collettori di monte e di valle
una pendenza ridotta affidando il superamento di altezza ad un collegamento
pressoché verticale. I pozzetti di caduta vengono installati se la differenza di quota tra
imbocco e sbocco dei collettori è maggiore di 2 m e comunque non superiore ai 5-10
m.
Introduzione
XI
Tali pozzetti di caduta sono di funzionamento abbastanza sicuro nel caso di
piccole portate, ma danno risultati meno sicuri nel caso di grandi spechi e grandi
portate. I principali inconvenienti che possono incorrere sono fenomeni d'instabilità e
pulsazione delle pressioni, unitamente a pericolo di occlusione del pozzo di caduta e
trascinamento d’aria nella corrente. In caso di salti di notevole ampiezza si utilizza il
dispositivo di caduta a vortice per il trasferimento dal collettore alla condotta
verticale.
Da un punto di vista prettamente geometrico, esso è un dispositivo in grado di
imprimere alla corrente che arriva da monte un moto rotazionale intorno alla luce di
scarico, grazie all’installazione di una camera d'alimentazione opportunamente
sagomata; la dissipazione di energia è affidata al moto di rotazione impresso intorno
alla luce del pozzo; il liquido, così, tende a fluire lungo il pozzo verticale aderendo
alle pareti laterali e lasciando libero al centro un foro detto “anima del vortice” che
consente il passaggio dell’aria. In questo modo si riducono le depressioni e le
pulsazioni che, appunto, rappresentano dei frequenti inconvenienti nell’ambito
dell’impiego di tali dispositivi. In questo lavoro verranno trattati gli effetti
dell’impiego di una struttura con pozzo a vortice, specialmente per quanto riguarda la
dissipazione d’energia e il controllo del fenomeno del trascinamento d’aria. Si tenga
conto innanzitutto che, sebbene la bibliografia, riguardante il generico moto a vortice
di una corrente sia molto consistente, i lavori che prendono in esame l’argomento
trattato in questa tesi non sono affatto numerosi, anzi sono pochi quelli che si
riferiscono ad esperienze di laboratorio effettuate su modelli in scala ridotta di
scaricatori a vortice e che siano specificamente interessati al manufatto posto al piede
del pozzo di caduta.
La tesi s'inserisce nell’ambito di uno studio sperimentale condotto su un modello
in scala ridotta sito presso il laboratorio del dipartimento di ingegneria idraulica ed
ambientale "Girolamo Ippolito" dell’Università degli studi di Napoli Federico II.
Questo lavoro di tesi si propone di analizzare come varia la dissipazione
energetica che si realizza negli scaricatori a vortice, concentrando l’attenzione
sull’influenza delle variazioni dell’assetto geometrico ed idrodinamico sullo stesso
rendimento dissipativo del dispositivo.
Nel corso di tale sperimentazione, sono già state analizzate varie configurazioni,
per le quali si sono eseguite modifiche geometriche della camera di dissipazione: da
tale studio è risultato che la configurazione migliore, in termini di rendimento
dissipativo e di regolarità della corrente a valle della camera di dissipazione, è quella
provvista di una strozzatura posta all’interno della camera stessa. Lo studio
sperimentale si pone come obiettivo quello di studiare il funzionamento del
dispositivo, al fine di migliorare i criteri di progettazione della camera di dissipazione,
dei quali si dispone in letteratura. L’obiettivo di questa tesi, quindi, è quello di
valutare quale sia la più vantaggiosa tra le varie configurazioni analizzate,
caratterizzate da diverse posizioni della strozzatura.
Nel primo capitolo del presente lavoro di tesi sono descritti i vari elementi che
compongono il dispositivo e sono riportati anche i criteri di progettazione dei pozzi a
vortice indicati dalla letteratura tecnica esistente; inoltre è stato effettuato un
confronto tra i criteri di progettazione attuali e le conclusioni dello studio
Introduzione
XII
sperimentale finora condotto sul modello, al fine di migliorare i criteri di
progettazione già esistenti.
Nel secondo capitolo è stato descritto lo studio sperimentale oggetto della tesi,
con una descrizione dettagliata del modello sul quale è stato condotto. Inoltre, sono
state delineate le modalità di esecuzione delle prove e le misure effettuate, attuando
un primo confronto tra le tre diverse configurazioni analizzate nel corso dello studio.
Infine, sono state descritte le cinque diverse configurazioni, che si distinguono per la
posizione di una strozzatura posta all’interno della camera di dissipazione.
Nel terzo capitolo si è proceduto ad un’analisi delle spinte totali possedute dalla
massa idrica che attraversa le sezioni che delimitano due volumi di controllo
considerati all’interno della camera di dissipazione per i quali si è analizzato il legame
esistente tra i tiranti idrici misurati nelle sezioni che delimitano il volume stesso in
funzione di una portata adimensionale con l’obiettivo di valutare l’aderenza dei punti
sperimentali con le curve derivate dalla scrittura dell’equazione globale dell’equilibrio
dinamico con riferimento a ciascun volume di controllo.
Il quarto capitolo è dedicato alla descrizione ed all’analisi dei dati, ponendo
l’attenzione alla dissipazione di energia che si concretizza all’interno della camera ed
alla valutazione delle pressioni al piede del pozzo. Il confronto tra le cinque diverse
configurazioni, prese in considerazione nel corso delle prove, è descritto in maniera
dettagliata, con impiego di grafici che mettono in relazione i parametri puramente
geometrici con la dissipazione di energia.
Nel quinto capitolo infine, sono state esposte le conclusioni tratte dalla
sperimentazione, individuando quale sia la configurazione che realizzi un maggiore
rendimento dissipativo minimizzando nel contempo i costi di costruzione della
camera. Il confronto tra le cinque configurazioni analizzate è stato effettuato
prendendo in considerazione due criteri: il primo riguarda la dissipazione energetica
che si realizza a mezzo del dispositivo di strozzatura collegata ad un’analisi
economica; il secondo fa riferimento al processo di miglioramento della deaerazione
della corrente a valle della strozzatura mediante un’analisi della quantità di moto.
1. Criteri di progetto dei pozzi a vortice
1.1 Generalità sui pozzi a vortice
I pozzi a vortice, e in generale i pozzi di caduta, hanno lo scopo di dissipare
energia nel caso in cui in un sistema di drenaggio urbano vi siano notevoli dislivelli;
fanno parte di una serie di dispositivi utilizzati a tale scopo ma in condizioni
differenti. Lo studio del modello del pozzo a vortice è dovuto principalmente al
lavoro di ricerca degli ingegneri italiani M. Viparelli e C. Drioli. La configurazione
dei pozzi di caduta è determinata dall’assemblaggio di un insieme di singoli
componenti e la Fig. 1.1 raffigura proprio una consueta struttura di caduta.
Fig. 1.1 - Tipica configurazione di un pozzo di caduta.
I dispositivi più importanti che compongono la struttura sono:
ξ pozzetto di confluenza (o di deviazione) (junction chamber) il quale dirige la
corrente dal canale fognario di monte al dispositivo di immissione e che può
Capitolo 1 Criteri di progetto dei pozzi a vortice
2
includere saracinesche, valvole di ritegno ed apparati per la separazione dal
materiale sabbioso ed il monitoraggio della portata. Inoltre, spesso, possiamo
trovare anche un canale d’avvicinamento tra il pozzetto di deviazione e la camera
di immissione quando è necessario stabilizzare la portata determinando un suo
ingresso in corrente gradualmente variata nella struttura di immissione.
ξ struttura di imbocco (o dispositivo di immissione) (inlet structure) che accoglie la
corrente proveniente dal canale di monte e che si trova al di sopra del pozzo
verticale. Inoltre il progetto della particolare configurazione di immissione
influisce sulla quantità di aria trascinata verso il basso lungo il pozzo di caduta e
le sue dimensioni vengono determinate affinché essa si adatti alla portata di
progetto.
ξ pozzo verticale (o pozzo di caduta) è il pozzo o canna verticale (vertical shaft)
destinato a convogliare la portata dalla struttura di immissione al canale di valle.
Si tratta, di solito, di un condotto a diametro costante lungo tutto il suo sviluppo
verticale.
ξ camera di deaerazione (o dissipazione) (deareation/areation chamber) nella
quale cade la corrente proveniente dalla canna verticale. Essa infatti si trova alla
base del pozzo di caduta e la sua funzione principale è evitare che quella parte
d’aria, che la corrente ha trascinato con sé proprio lungo il condotto verticale,
possa essere trasportata anche all’interno del canale di valle. La camera è fornita
di uno spazio che riesce a disaggregare l’aria da quella soluzione aria-acqua che
si era solidarizzata nel pozzo di caduta. L’aria viene espulsa ed allontanata
definitivamente dalla struttura di caduta mentre un'altra soluzione costruttiva
prevede la sua messa in ricircolo in corrispondenza dell’ingresso nel dispositivo
di immissione. Eventualmente possono essere localizzati all’interno della camera
anche dei dispositivi che dissipano energia (strozzature, gole ecc.). Naturalmente
a causa delle dimensioni e del relativo costo di costruzione della camera di
deaerazione e/o areazione sono stati condotti, nel corso degli anni, studi
sperimentali sul progetto del complesso pozzo-camera finalizzati a minimizzare
le dimensioni della vasca o addirittura eliminare la sua presenza. Per quanto
riguarda i criteri di progetto delle camere, nella pratica si incontrano tipologie di
varia forma. Non è però, in assoluto, possibile definire la migliore configurazione
geometrica della camera perché in ciascun caso specifico la necessità e la
successiva progettazione della vasca dipendono da tutti quei fattori che
influenzano il fenomeno del trascinamento d’aria oltre che dalla forma del
dispositivo di immissione e dalle particolari condizioni di funzionamento che si
presentano nel collettore di valle.
ξ Aeroforo (o tubo di sfiato) (vent pipe) il quale è connesso alla camera di
deaerazione e consente l’uscita e la messa in ricircolo dell’aria catturata dalla
corrente lungo il pozzo verticale oppure la sua definitiva espulsione dalla
struttura di immissione nel caso in cui la pressione dell’aria fosse eccessiva. I tubi
Capitolo 1 Criteri di progetto dei pozzi a vortice
3
di sfiato possono essere anche incorporati direttamente all’interno del pozzo di
caduta, utilizzando una parete verticale che separa l’aria dal liquido.
ξ Galleria di raccordo (o canale d’accesso) (adit) è quel canale di connessione della
camera con il collettore principale. Esso è pressoché orizzontale e può essere
collegato ad angolo oppure perpendicolarmente al canale. E’ necessario, però,
tenere in conto le problematiche relative alla costruzione e manutenzione nella
definizione dell’angolo d’ingresso e della forma del canale di connessione al
collettore principale.
Vi possono essere infine dei dispositivi accessori. Per esempio nei sistemi a
portata continua sono necessarie strutture di separazione per installare sistemi di
controllo e monitoraggio della portata o sistemi per il controllo degli olezzi. Può
essere utile anche inserire grandi strutture di sbocco per proteggere l’intera struttura
da ondate di piena dovute, per esempio, all’insorgere di condizioni atmosferiche
avverse.
Jain e Kennedy (1983) hanno rivisitato la letteratura riguardante i pozzi di caduta
pubblicata dopo il 1947 e hanno proposto un confronto tra i pozzi a vortice e quelli a
salto dal quale si traggono importanti ed oramai affermate conclusioni secondo cui i
pozzi a vortice funzionano meglio perché:
1. limitano l’instabilità del deflusso della corrente per diverse portate grazie
all’instaurarsi, in prossimità dell’asse del pozzo, dell’anima del vortice. In questo
modo, mentre l’acqua occupa la parte perimetrale del pozzo, l’aria si muove al
centro e così sulla superficie libera della corrente verticale la pressione è
praticamente pari a quella atmosferica. Il moto all’interno del pozzo è nettamente
distinto in una fase liquida ed una gassosa ed il vantaggio che ne consegue è che
sicuramente l’areazione viene accelerata. E’ dunque possibile un maggiore
controllo del fenomeno del trascinamento d’aria all’interno del pozzo;
2. danno luogo ad una maggiore dissipazione d’energia grazie alla frizione della
parete cui è soggetta la corrente. Tale fenomeno si deve all’aumento delle
componenti di flusso rotazionale insieme a quelle traslazionali;
3. rappresentano strutture molto semplici dal punto di vista geometrico e che sono
in grado di accogliere anche elevate portate di progetto richiedendo comunque
sezioni trasversali dall’ingombro ridotto.
1.1.1 Configurazione dei dispositivi di immissione
I dispositivi di immissione possono assumere varie forme, si classificano in 5
categorie, come mostrato in Fig. 1.2:
Capitolo 1 Criteri di progetto dei pozzi a vortice
4
circolare (circular)
spirale (spiral)
tangenziale (tangential)
a sifone (siphonic)
elicoidale (scroll)
Fig. 1.2 - Tipologie dei dispositivi di imbocco dal Hydraulics of Spillways and Energy
Dissipators, Di Khatsuria, R. M. Khatsuria.
L’imbocco circolare è diventato obsoleto in quanto richiede una grande
profondità del flusso al di sopra di esso; l’imbocco a spirale è limitato alle aree di
montagna dove il moto del flusso può essere ipercritico; l’imbocco a sifone non è
utilizzato perché di complessa geometria e costruzione; l’imbocco elicoidale è
ampiamente usato ed è stato studiato estesamente; il più semplice e compatto è quello
tangenziale.
1.1.2 Pozzo di caduta
Il diametro del pozzo di caduta è determinato dal minimo possibile della zona
centrale per il passaggio dell’aria per limitare i fenomeni di pulsazione del flusso;
inoltre il diametro dipende anche dalla portata di progetto. Il minimo valore dell’area
dell’anima del pozzo è comunemente adottato pari al 25% dell’area totale.
La relazione tra il diametro del pozzo e la portata è stata determinata mediante
sperimentazione:
Capitolo 1 Criteri di progetto dei pozzi a vortice
5
2,0
2
max
≈
…
≡
↔
←
♠
g
Q
d (1.1)
Sono necessari ulteriori analisi e dati sperimentali al fine di migliorare la
relazione per il progetto del pozzo in quanto non si dispone di una conoscenza
completa degli effetti che si hanno sulle pareti, ed inoltre la relazione è affetta da
numerose assunzioni non generali. Il pozzo verticale di diametro d ha un contorno
regolare per incrementare la stabilità del flusso; quest'ultimo è sostenuto dalla zona
centrale d'aria che presenta una pressione maggiore della pressione sulla parete. La
pulsazione del flusso dovuta ad aerazione insufficiente deve rigorosamente essere
inibita. Idealmente, il flusso dell'acqua lungo il contorno del pozzo ed il flusso anulare
di aria sono separati l'uno dall'altro. Anche se la superficie del pozzo è regolare, gli
effetti di scabrezza lungo il pozzo devono essere considerati. Una piccola velocità
della presa del pozzo e una grande efficienza può essere raggiunta così da una elevata
scabrezza della superficie delle pareti del pozzo e da un piccolo diametro, anche se
ciò contraddice il requisito della stabilità del flusso. Un pozzo a vortice ottimale è
quello per il quale si abbia dispersione di energia sia lungo pozzo sia nella camera di
dissipazione.
1.1.2.1 Aria trascinata e trasportata nel pozzo a vortice
Il trascinamento di aria all’interno della canna del pozzo, avviene quando il
flusso colpisce la colonna di acqua nella parte più bassa del pozzo, senza riguardo al
tipo di presa. Tuttavia, il movimento ed il trasporto delle bolle di aria a valle del punto
di imbocco è differente per il tipo di dispositivo di immissione. Il flusso a turbine,
causato dall'ingresso nel pozzo a vortice, genera un gradiente di pressione per cui le
bolle di aria rispondono in un modo differente. L'aria trascinata può essere trasportata
attraverso la parte inferiore del pozzo ed avanzare dentro la galleria posta a valle, in
determinate circostanze. Il trasporto di una quantità significativa di aria all’interno
della tubazione di valle può condurre alla formazione di tasche di aria ad alta
pressione che si sviluppano abbastanza grandi per poi implodere. Jain (1988) ha
sviluppato un modello per il trasporto di aria basato sull'analisi teorica ed esperimenti
in laboratorio. È stato individuato che la maggior parte dell'aria è trascinata nel salto
idraulico anulare, formato quando il flusso del getto anulare cambia trasformandosi in
flusso in pressione. Una parte significativa delle bolle di aria converge verso il centro
del pozzo a causa del gradiente di pressione e si unisce per formare le grandi bolle che
allora aumentano verso la base. Comunque le bolle più piccole possono essere
trasportate a valle per la condizione in cui il salto si presenta alla posizione di corrente
veloce con tiranti bassi. Il trasporto d’aria all’interno della camera di dissipazione
deve essere regolato in modo tale da rispondere ai requisiti di regolarità della
corrente. In un sistema fognario non è conveniente che si verifichi in maniera così
massiccia il fenomeno del trascinamento d’aria perché grandi quantità d’aria possono
dare vita a soluzioni aria-acqua che, di fatto, limitano la capacità intrinseca del
collettore interessato ed inoltre sono fra le principali cause dell’irregolarità di deflusso
Capitolo 1 Criteri di progetto dei pozzi a vortice
6
delle correnti nei canali fognari. Dunque è molto utile riuscire a progettare una
struttura di caduta nella quale il fenomeno del trascinamento sia controllato per
quanto possibile. Questo aspetto diventa ulteriormente importante laddove nel sistema
di collettori fognari considerati sia ammesso l’insorgere della condizione di corrente
in pressione. Anche se sono stati escogitati molti stratagemmi per controllare il
fenomeno del trascinamento d’aria i cui benefici effetti, tra l’altro, sono stati
confermati da un insieme di studi e prove sperimentali, molti di essi sono finalizzati al
conseguimento di obiettivi particolari e quindi sono caratterizzati da un ristretto
campo di applicabilità. Non sono stati eseguiti studi o momenti di sintesi a riguardo e
dunque non esiste ancora un insieme di relazioni fondamentali che sappiano legare la
quantità d’aria trascinata con parametri idraulici in maniera sistematica e quelle poche
esistenti sono comunque state stabilite sulla base di informazioni di natura
sperimentale.
1.2 Progetto dei pozzi a vortice
Il pozzo a vortice implica un processo di dissipazione d’energia a causa delle
forze d’attrito che si esercitano sulla corrente lungo la parete del pozzo. Questo effetto
si spiega con la sovrapposizione delle componenti di flusso rotazionali su quelle
traslazionali e, fra l’altro, a ciò si deve il fatto che l’acqua scenda secondo un moto
vorticoso lungo la canna del pozzo. Da un punto di vista progettuale l’utilizzo dei
pozzi a vortice richiede:
ξ una differenza di quota tra il canale di monte e quello di valle almeno pari ad un
valore compreso tra i 5 e i 10m, in relazione al diametro del pozzo
ξ un flusso di corrente nel canale d’imbocco stabilmente subcritico (ciò equivale ad
avere un numero di Froude Fr non superiore a 0.7) oppure stabilmente
supercritico (Fr>1.5)
ξ uno studio di fattibilità preliminare nell’ambito del quale, fra l’altro, si sia
accertato che il sistema fognario che scende, con una pendenza elevata, lungo il
bacino che lo alimenta non rappresenti una soluzione economica e tecnica
svantaggiosa.
Si tenga conto inoltre che nelle fogne a pendenza elevata lo sbocco è supercritico
mentre il deflusso lungo il canale di sbocco di un pozzo a vortice è subcritico.
Questa differenza concettuale rappresenta tra l’altro un aspetto determinante
nella scelta della soluzione di progetto migliore. Il progetto di un pozzo a vortice
dipende essenzialmente dalle condizioni di deflusso della corrente in ingresso. I
calcoli di progetto riguardano le tre componenti più importanti dei pozzi a vortice
ovvero:
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