Contenuto del progetto e obiettivi della ricerca

Molte strutture civili, quali impalcati da ponte, cavi sospesi, torri ed edifici alti hanno comportamenti aerodinamici assimilabili a quelli di corpi cilindrici. Per questa ragione, le ricerche sul comportamento aerodinamico di corpi cilindrici sono un argomento tipico nell’ambito dell’ingegneria del vento e i risultati ottenuti sono comunemente impiegati nella progettazione strutturale e sono recepiti dalle normative per la definizione delle azioni del vento sulle strutture.

Le forze aerodinamiche che si sviluppano su un corpo investito dal vento fluttuano nel tempo a causa della turbolenza presente nel flusso incedente e a causa di fenomeni instabili che si verificano nel flusso intorno al corpo dando luogo a una scia vorticosa. Questi fenomeni sono fortemente influenzati dal moto del corpo e si manifestano, da un punto di vista macroscopico, con la generazione di forze aerodinamiche dipendenti dal moto.

Quando il corpo in esame è soggetto a forze di richiamo elastico (perché ad esempio è parte di una struttura deformabile), l’accoppiamento e l’interazione fra il moto della struttura e la dinamica del fluido che la investe può generare una grande varietà di comportamenti dinamici stabili e instabili, classificati come fenomeni aeroelastici. Alcuni di questi   (divergenza, galoppo, flutter) sono rilevanti per strutture caratterizzate da grande flessibilità quali i ponti di grande luce, i cavi sospesi e le grandi coperture.

La modellazione analitica dei fenomeni di interazione fluido-struttura è possibile soltanto per casi estremamente semplici, mentre soluzioni interamente computazionali sono praticabili soltanto a basso numero di Reynolds. Nella grande maggioranza dei casi rilevanti in ingegneria civile, la sperimentazione in galleria del vento è l’unico strumento disponibile per la descrizione di fenomeni aeroelastici.  Essa si svolge generalmente investendo, con un flusso bidimensionale (nella media), corpi cilindrici rigidi    supportati da dispositivi elastici.

L’obiettivo tipico della sperimentazione aeroelastica è l’identificazione di modelli dinamici capaci di rappresentare le forze di interazione fluido-struttura. A questo scopo, si utilizzano generalmente modelli dinamici lineari parametrizzati attraverso funzioni di risposta in frequenza, dette derivate aerodinamiche, stimate dalle misure in galleria del vento.

Il presente progetto si pone l’obiettivo di arricchire la conoscenza scientifica sul comportamento aeroelastico di cilindri con sezione di forma semplice e di sviluppare strumenti per analizzare e modellare fenomeni di interazione fluido-struttura rilevanti per le applicazioni di ingegneria del vento.

 

Descrizione delle attività di ricerca

Attività 1 – Sperimentazione in galleria del vento

Si considerano corpi cilindrici (a sezione circolare, quadrata e rettangolare) studiati in diverse condizioni di velocità ridotta (velocità adimensionalizzata con la dimensione caratteristica del cilindro e la frequenza propria di oscillazione del sistema meccanico) e angolo d’attacco. La sperimentazione in galleria del vento consiste nell’osservare l’oscillazione libera del cilindro a partire da un disturbo esterno iniziale, misurando simultaneamente il moto del cilindro e il campo di pressione. A tale scopo dovrà essere predisposto un sistema di sincronizzazione fra le misure di pressione e le misure di spostamento ottenuto attraverso la generazione di un segnale di comando comune a tutti gli strumenti di misura impiegati e l’identificazione a posteriori del ritardo effettivo relativo a ogni classe di sensori.

Attività 2 – Modellazione dei fenomeni aeroelastici osservati

L’analisi delle misure sperimentali è finalizzata all’identificazione di modelli per la rappresentazione e predizione delle forze aeroelastiche agenti sul cilindro. Tradizionalmente questi modelli legano le forze aerodinamiche globali al moto del cilindro (velocità e posizione). Nel presente progetto si intende generalizzare questo approccio operando in due direzioni: 1 – si identificano modelli in grado di predire il campo di pressione locale, anziché soltanto la forza globale; 2 – si generalizzano gli usuali strumenti lineari legati alle derivate aerodinamiche introducendo termini correttivi nonlineari.

Il primo risultato è ottenuto identificando preliminarmente modelli ridotti del campo di pressione attraverso rappresentazioni modali basate sul concetto di struttura coerente. A tale scopo, strumenti probabilistici quali la Proper Orthogonal Decomposition (POD) e le sue generalizzazioni formulate per sfruttare le informazioni probabilistiche di ordine superiore al secondo (Independent Component Analysis, ICA) o la struttura probabilistica temporale dei campi di pressione misurati (Dynamic-ICA) verranno sistematicamente applicate per rappresentare e analizzare i risultati sperimentali.

Il secondo risultato è conseguito adottando realizzazioni canoniche di sistemi dinamici nonlineari quali la serie di Volterra e di Wiener parametrizzati attraverso grandezze osservabili in galleria del vento.

 

 

Risultati attesi

Il progetto prevede il conseguimento dei seguenti risultati:

1.     Realizzazione di un sistema per la misura simultanea del moto e del campo di pressione agente su cilindri rigidi supportati elasticamente.

2.     Realizzazione di prove aeroelastiche su 3 corpi cilindrici (con sezione circolare, quadrata e rettangolare) in diverse condizioni di angolo d’attacco e velocità ridotta.

3.     Sperimentazione e validazione di tecniche per l’identificazione di strutture coerenti del campo di pressione agente su corpi cilindrici mobili.

4.     Risultati preliminari nella realizzazione di modelli lineari e non-lineari per la rappresentazione del comportamento aeroelastico dei corpi cilindrici oggetto di prova