Serve per rappresentare condotte e acquedotti sulle reti.
Fare riferimento all'argomento Informazioni sul calcolo delle condotte and Closed pipes s per informazioni pertinenti per tutti i tipi di condotte.
I canali aperti sono modellati come collegamento, con serbatoi collegati a ciascuna estremità. Ciò è necessario per garantire che non vi siano spazi vuoti tra le sezioni pressurizzate e non pressurizzate di una rete.
Gli stessi canali aperti possono essere modellati utilizzando le equazioni di St. Venants dipendenti dal tempo o dividendo il collegamento in cinque sezioni e trattando ogni sezione come un serbatoio a sé.
Il metodo utilizzato in una simulazione è determinato dall'impostazione dell'opzione Usa equazioni dipendenti dal tempo (canali aperti) nella pagina Valori di default simulazione.
Se questa opzione è impostata su "No", il collegamento viene suddiviso in cinque sezioni, ciascuna delle quali viene considerata come un serbatoio a sé, come illustrato di seguito:
- Tra il serbatoio superiore e la prima sezione del canale aperto, la portata viene introdotta attraverso un orifizio. È possibile definire le proprietà dell'orifizio e, di conseguenza, viene calcolata la portata attraverso l'orifizio.
- Tra ogni sezione all'interno del canale aperto, viene applicata l'equazione di Manning per calcolare la portata. Per ogni timestep, l'equazione di Manning viene applicata a ciascuna delle cinque sezioni all'interno del canale aperto e di conseguenza viene calcolata la portata tra le sezioni.
- Tra la sezione inferiore del canale aperto e il serbatoio inferiore, l'equazione di Manning viene applicata alla portata nel serbatoio oppure la portata viene calcolata su una soglia con cresta ampia. Se viene definita una soglia all'estremità a valle del canale aperto, la soglia con cresta ampia verrà utilizzata per calcolare la portata in uscita dal canale aperto; se non viene definita alcuna soglia all'estremità a valle del canale aperto, l'equazione di Manning verrà utilizzata per calcolare la portata in uscita dal canale aperto.
Se l'opzione Usa equazioni dipendenti dal tempo (canali aperti) è impostata su "Sì", i canali aperti vengono modellati utilizzando le equazioni di St. Venant dipendenti dal tempo. È possibile assegnare un solo valore di scabrezza idraulica che utilizza espressioni Colebrook-White o Manning per la conduttività. Le equazioni dominanti sono una coppia di equazioni di conservazione per massa e momento:
dove:
Q: scarico o portata (m3/s)
A: area di sezione trasversale (m2)
g: accelerazione dovuta alla gravità (m/s2)
h: profondità della superficie dell'acqua (m)
So: pendenza letto
K: conduttività
Ogni canale aperto è suddiviso in punti di calcolo separati regolarmente distanziati ad un intervallo di 20 volte il diametro del canale. Le equazioni di St Venants vengono quindi risolte direttamente utilizzando uno schema di Preissman e una formulazione differenze finite. Le equazioni vengono discretizzate nel piano definito dalla lunghezza e dalla profondità del canale per la profondità e la portata della superficie dell'acqua e vengono completate con le condizioni al contorno in corrispondenza delle giunzioni con i serbatoi a monte e a valle. L'immissione nel canale aperto avviene attraverso un orifizio e la portata in uscita nella parte inferiore è quella di una soglia con cresta ampia o, se non è stata definita una soglia, quella corrispondente alla portata critica, calcolata dall'area bagnata a valle e dalla larghezza della portata sulla superficie dell'acqua. I canali aperti in InfoWorks WS Pro possono fuoriuscire se il livello dell'acqua è al di sopra dell'altezza del canale in qualsiasi punto lungo il canale.
Risolutore
La discretizzazione delle equazioni che regolano i canali dà origine ad un ampio sistema di equazioni algebriche non lineari a differenze finite che devono essere risolte simultaneamente ad ogni livello temporale.
Effetti non lineari possono comportare una regolazione automatica del timestep mediante dimezzamenti progressivi fino al raggiungimento della convergenza del metodo Newton-Raphson. Al contrario, una convergenza rapida può comportare il raddoppio del timestep. Il timestep iniziale è impostato su 1 secondo e le equazioni vengono risolte da un timestep idraulico InfoWorks WS Proprincipale a quello successivo, durante il quale i livelli finali del serbatoio rimangono costanti. Viene inoltre mantenuto un controllo sulle immissioni dal serbatoio a monte per garantire che non possa fornire più acqua di quella che contiene. In questo caso, l'immissione viene ridotta a zero per il resto dei timestep minori dipendenti dal tempo.
Viene effettuato un controllo di convergenza relativa in modo tale che la variazione di profondità e portate dei canali al nuovo livello temporale sia inferiore all'1%.
Immissione canale
All'estremità a monte del canale aperto, il riflusso è escluso. Per un orifizio sommerso completo, l'equazione dominante del modello in condizioni di scarico libero è:
dove:
Dcl: altezza del livello dell'acqua sopra il baricentro dell'orifizio (m)
Questo viene modificato in condizioni di sommersione, quando il livello dell'acqua a valle sommerge l'orifizio, secondo:
dove, per entrambe le equazioni:
Q: scarico (m3/s)
Cd: coefficiente di deflusso dell'orifizio = 0,884
Ao: area della sezione trasversale dell'orifizio (m2)
g: accelerazione dovuta alla gravità (m/s2)
e per la seconda:
Du: profondità a monte sopra lo scorrimento dell'orifizio (m)
Dd: profondità a valle sopra lo scorrimento dell'orifizio (m)
Se l'orifizio è parzialmente completo a monte, le caratteristiche di portata sono determinate da un modello di soglia:
dove:
Cd: coefficiente di deflusso della soglia = 0,575
B : larghezza effettiva della soglia (m) = Ao/(diametro dell'orifizio)
Du: profondità a monte sopra lo scorrimento dell'orifizio (m)
Per una soglia annegata, l'equazione è la stessa, eccezion fatta per il termine Du che è sostituito da Du √(Du - Dd )
Portata in uscita
All'estremità a valle del canale aperto, i livelli relativi imposti al canale e al serbatoio sono progettati per garantire che non si verifichi il riflusso. Per una soglia, lo scarico della soglia con cresta ampia è:
dove:
Q: scarico (m3/s)
Cd: coefficiente di deflusso della soglia. Questo valore viene calcolato utilizzando la formula riportata di seguito.
Cv: un coefficiente adimensionale che consente l'effetto della velocità di approccio.
B: larghezza della cresta della soglia
g: accelerazione dovuta alla gravità
Du: profondità a monte rispetto alla cresta
Cd viene calcolato utilizzando l'equazione:
dove:
L è la lunghezza della sezione orizzontale della cresta nella direzione della portata.
Cvviene quindi calcolato in termini di C d utilizzando:
dove:
A è l'area della sezione trasversale del canale di accesso al di sotto del livello dell'acqua.
Se non è presente una soglia, la portata critica viene calcolata da
dove:
A :area bagnata del canale
T: larghezza superiore della portata del canale
È possibile impostare un gruppo di controllo per il canale aperto in cui è possibile definire il livello iniziale del canale, come nel caso dei serbatoi.
Durante una simulazione, qualsiasi sfioro che si verifica lungo il canale aperto viene registrata come tracimazione, come mostrato nello stesso modo dei serbatoi.
Il profilo del canale aperto, l'altezza dell'orifizio e i livelli di ingresso del canale aperto ai serbatoi di collegamento possono essere impostati nel foglio proprietà del canale aperto.