Modellazione matematica della formazione e propagazione di onde di piena causate da condizioni meteoriche eccezionali o da interventi umani in alveo: manovre su paratoie, crollo di sbarramenti.

Sulla scorta degli stimoli recepiti durante l'attività del gruppo di ricerca europeo CADAM (Concerted Action on Dam - Break Modelling), si è concepito un codice idoneo alla simulazione di transitori spazio - temporali estremamente bruschi quali rottura totale o parziale di sbarramenti o esondazioni d'alveo, sia su configurazioni planimetriche semplici che complesse ed articolate.

La realizzazione del codice è basata su tecniche numeriche moderne, ben consolidate per quanto concerne la loro base teorica ma ancora soggette a continui perfezionamenti riguardo alle modalità applicative. La scelta di un metodo ai volumi finiti (FVM) accurato al secondo ordine, unitamente all'utilizzo di una tecnica upwind di tipo Godunov, presenta il fondamentale pregio di consentire il rispetto dei bilanci di massa e di quantità di moto, a valle delle operazioni di discretizzazione.

Verificate le opportune proprietà di accuratezza, stabilità e convergenza del codice, esso è applicato a due casi reali di particolare rilevanza: la simulazione dell'onda di sommersione conseguente il crollo della diga di Malpasset, evento drammatico per il quale esistono sia riscontri sperimentali di campo sia risultati sperimentali ottenuti su modello fisico dall'EDF; la simulazione di un ipotetico evento di piena eccezionale sul fiume Toce, per il quale esistono risultati ottenuti da modello fisico dall'Enel-Hydro. Le applicazioni forniscono un ottimo conforto sull'affidabilità del codice. Di particolare rilevanza tecnica e scientifica è giudicato l'ottimo accordo con le misure sperimentali di livello disponibili, e più ancora i risultati sulle stime, solitamente afflitte da errori rilevanti, dei tempi di avanzamento del fronte ripido dell'onda di sommersione.

Esondazioni in zone urbanizzate: interazione del deflusso con edifici isolati o gruppi di edifici fra loro prossimi.

Di particolare interesse ai fini della protezione idraulica del teritorio risulta essere lo studio dell'interazione delle onde di sommersione conseguenti il crollo di sbarramenti, o di rilevati arginali, con le costruzioni di origine antropica. In tale ambito si colloca l'attività di sperimentazione numerica incentrata sull'analisi di un'onda di sommersione che investa ostacoli isolati o aggregati che modifichino significativamente il campo di moto.

Vengono studiati casi tipo nei quali un'onda a fronte ripido investe ostacoli isolati a pianta quadrata. Si evidenziano la diffrazione provocata dagli ostacoli, le principali caratteristiche delle ondulazioni stesse, al variare del numero di Froude del fronte ripido sommergente, dell'orientamento dell'ostacolo (fissata la dimensione dell'oggetto e il tirante di valle). Vengono inoltre simulate alcune tipiche onde di sommersione che investono gruppi di ostacoli che possano schematicamente rappresentare aggregazioni di edifici. I risultati delle simulazioni sono confrontati con risultati sperimentali di laboratorio ottenuti presso l'Enel.Hydro di Milano. Lo schema ed il codice numerico si rivelano strumenti idonei alla simulazione di onde di sommersione che investano ostacoli isolati o gruppi di ostacoli.

Studi di trasporto solido ed evoluzione morfologica degli alvei fluviali e torrentizi.

Si è sviluppato un codice di calcolo volto alla modellazione numerica dei meccanismi che regolano la formazione e propagazione di barre alternate in un canale rettilineo a sezione rettangolare, negli appropriati campi di variabilità dei parametri fisici che governano il fenomeno.

Si utilizza uno schema idrodinamico bidimensionale alle acque basse, ipotizzando trasporto solido prevalentemente al fondo; l'influenza della pendenza locale del fondo sulla direzione del trasporto solido stesso è opportunamente tenuta in conto.

Il codice numerico è basato su uno schema Beam-Warming implicito alle differenze finite. Le simulazioni, che riproducono lo sviluppo di una instabilità della configurazione del letto che si innesca da un disturbo localizzato, posto, all'istante iniziale, in prossimità dell'imbocco del canale, sono state eseguite considerando regimi di corrente sia supercritica che subcritica.

In entrambi i casi il codice di calcolo chiude correttamente i bilanci di massa e di quantità di moto, fornendo una riproduzione realistica delle principali caratteristiche geometriche di barre alternate autoformatesi in selezionate esperienze di laboratorio. L'indagine numerica viene proseguita focalizzando l'attenzione sul comportamento di tali forme di fondo in termini delle loro caratteristiche macroscopiche (lunghezza, altezza, celerità di propagazione).

Fenomeni localizzati: risalti idraulici, confluenze, curve, opere di diversione e di regolazione.

Un codice di calcolo ai volumi finiti è utilizzato per indagare il comportamento di correnti veloci, in curva. In particolare si è indagata la validità delle equazioni alle acque basse per la simulazione di correnti veloci in canali curvilinei caratterizzati da grandi rapporti fra raggio di curvatura e larghezza. L'usuale ipotesi di piccola curvatura viene rimossa, e il problema viene affrontato con un approccio bidimensionale completo. Viene evidenziato il ruolo fondamentale della curvatura adimensionale del canale e del numero di Froude della corrente indisturbata.

E' correttamente riprodotto il fenomeno del blocco della corrente a monte della curva, che si verifica, per ciascun valore della curvatura adimensionale, quando il numero di Froude indisturbato non sia sufficientemente elevato. Alcuni risultati sperimentali di letteratura sono ben riprodotti dai calcoli compiuti mentre altri risultano ben riprodotti a meno di una sistematica sottostima dei livelli massimi raggiunti. E' presumibile che le discrepanze tra valori simulati e valori osservati siano imputabili a fenomeni di frangimento, con conseguente irripidimento localizzato delle creste. In ogni caso, stante anche la riproduzione molto accurata degli shock di Mach da parte dello schema numerico evidenziata in altri lavori, le differenze sembrano comunque imputabili a limiti intrinseci dello schema in acque basse piuttosto che a deficienze o inaccuratezze dello schema numerico.