Influenza della geometria di falla sul fenomeno dell’allagamento: Modellazione e Analisi

Abstract

Il presente lavoro analizza i parametri che influenzano l’allagamento di una cassa o compartimento, con particolare attenzione al coefficiente di scarico Cd, fondamentale per la valutazione della portata attraverso una falla. Mediante simulazioni CFD svolte con STAR-CCM+ sono state studiate diverse geometrie di apertura—circolare, quadrata e triangolare—variandone dimensioni caratteristiche e area, così da valutare l’impatto sulla dinamica dell’allagamento. I risultati mostrano che la geometria non influisce sul volume finale imbarcato, ma modifica la portata istantanea e quindi il valore di Cd, che nei casi analizzati varia tra 0.63 e 0.75, diminuendo all’aumentare delle dimensioni della falla. È stata inoltre valutata l’influenza del battente esterno: la variazione del livello d’acqua modifica portata e volume imbarcato, mentre Cd resta pressoché costante, confermando la sua dipendenza principalmente dalla geometria dell’apertura. Una parte del lavoro è stata dedicata alla validazione del codice MYSTiC, sviluppato in ambiente Matlab, confrontandone i risultati con tre casi selezionati dalle simulazioni CFD. Il codice ha mostrato un errore di circa il 2% su portata e volume imbarcato, con tempi di calcolo molto inferiori (circa 6 minuti contro oltre 25 ore). Infine, un’analisi di sensibilità ha evidenziato che la variazione controllata di Cd influisce sul tempo necessario a raggiungere la condizione stazionaria e sulla portata, mentre il volume totale imbarcato rimane sostanzialmente invariato. L’impatto fisico complessivo risulta limitato dal punto di vista operativo.

This work investigates the parameters that influence the flooding of a tank or compartment, with particular focus on the discharge coefficient Cd, which governs the flow rate through a breach. CFD simulations performed with STAR-CCM+ examined how breach geometry affects Cd, considering circular, square, and triangular openings with varying characteristic dimensions and areas. Results show that while geometry does not affect the final flooded volume, it significantly influences the instantaneous flow rate and the corresponding discharge coefficient, which ranges between 0.63 and 0.75. Cd decreases as the size of the opening increases, though larger breaches might eventually lead it to rise toward unity. The influence of the external water head was also assessed: changes in head modify both flow rate and total intake volume, whereas Cd remains nearly constant, confirming its dependence on geometry rather than hydrostatic conditions. A further objective was the validation of the MYSTiC Matlab code, a rapid tool for estimating flow rate, intake volume, and post-damage conditions. Comparison with selected CFD cases showed an error of about 2%, with computation times drastically reduced from over 25 hours to approximately 6 minutes. Finally, a sensitivity analysis on Cd demonstrated that, although variations in this parameter affect flow rate and time to reach steady conditions, the overall flooded volume remains essentially unchanged, and the impact on the physical behavior of the system is operationally limited