STRUTTURA IDRODINAMICA DI FLUSSI TURBOLENTI ATTORNO A UN CORPO SOLIDO IN CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA

This thesis presents an experimental investigation of the interaction between a hydraulic turbine and the flow in an open-channel environment, with the aim of characterizing the wake structure and the flow modifications induced in the velocity field. The introductory section reviews the theoretical foundations of free-surface flows, flow regimes, and turbulence, providing the conceptual framework necessary to correctly interpret the behavior of the flow in the vicinity of an obstacle. The experimental campaign was carried out at the Hydraulic Constructions Laboratory of the Polytechnic University of Bari, using a modular fixed-bed channel in which a turbine was installed as an obstacle to the flow. To achieve a three-dimensional characterization of the velocity field, advanced measurement techniques based on Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) were employed. This technology exploits the Doppler effect to retrieve the instantaneous components of velocity. Measurements were acquired using a Nortek Vectrino and processed with the Vectrino and Explore V software packages, performing surveys upstream and downstream of the turbine under different flow-depth conditions. The results show that the upstream flow is regular, uniform, and free from significant disturbances, whereas downstream the presence of the turbine generates pronounced lateral and vertical motions, an increase in turbulence associated with the shear layer and wake vortices, and elevated Reynolds stresses. The analysis of the velocity profiles highlights the complexity of the flow field immediately downstream of the obstacle, in agreement with findings reported in the literature, and confirms the strongly three-dimensional nature of the wake generated by the turbine.

La presente tesi analizza sperimentalmente l’interazione tra una turbina idraulica e il flusso in un canale a superficie libera, con l’obiettivo di caratterizzare la struttura della scia e le modifiche indotte nel campo di moto. La parte introduttiva affronta i fondamenti teorici delle correnti a superficie libera, dei regimi di moto e della turbolenza, fornendo gli strumenti necessari per interpretare correttamente il comportamento del flusso in prossimità di un ostacolo. La sperimentazione è stata condotta presso il Laboratorio di Costruzioni Idrauliche del Politecnico di Bari, utilizzando un canale fisso a moduli in cui è stata installata una turbina come ostacolo al deflusso. Per la caratterizzazione tridimensionale del campo di moto sono state impiegate tecniche avanzate basate sull’Acoustic Doppler Velocimetry (ADV), tecnologia che sfrutta l’effetto Doppler per ricavare le componenti istantanee della velocità. Le misure sono state acquisite tramite un Nortek Vectrino ed elaborate con i software Vectrino ed Explore V, effettuando rilievi in sezioni a monte e a valle della turbina per differenti condizioni di tirante. I risultati mostrano che il flusso a monte è regolare, uniforme e privo di perturbazioni significative, mentre a valle la presenza della turbina genera moti laterali e verticali marcati, un incremento della turbolenza associato alla “shear layer” e alle strutture vorticali della scia, oltre a valori elevati degli sforzi di Reynolds. L’analisi dei profili di velocità evidenzia la complessità del campo di moto immediatamente a valle dell’ostacolo, in accordo con quanto riportato in letteratura, e conferma la natura tridimensionale della scia generata dalla turbina.