L'acqua sotto controllo

Il colpo d'ariete

Il termine “colpo d'ariete”, che suggerisce l’idea di rumore e repentine variazioni di pressione, è comunemente usato come sinonimo di moto vario, a volte causa di devastanti effetti sul sistema.
Le reti acquedottistiche e fognarie sono di vitale importanza nel mondo moderno: la loro protezione dovrebbe essere, di conseguenza, una priorità. Grazie a simulazioni numeriche è possibile appurare il comportamento delle condotte in presenza di fenomeni di moto vario e valutare i potenziali danni.
Le principali cause dei colpi d’ariete sono:
- improvvise variazioni del prelievo,
- avvio delle pompe,
- spegnimento delle pompe,
- chiusura e apertura rapida degli organi di sezionamento,
- rapido riempimento di impianti antincendio,
- apertura e chiusura di idranti antincendio,
- operazioni di lavaggio e svuotamento delle condotte,
- svuotamento di serbatoi d’alimentazione.
Il colpo d'ariete può anche essere descritto come una propagazione di energia, analoga, ad esempio, alla trasmissione del suono. In un movimento ondulatorio, l'energia è associata alla deformazione elastica del mezzo.

La velocità delle onde sonore nei fluidi può essere espressa dalla seguente formula: a=[K/ρ/(1+K*D/E*e)]1/2

Dove E è il modulo d’elasticità;
D è il diametro del tubo;
e è lo spessore della parete;
K è il modulo di massa;
ρ è la densità del mezzo fluido.

Arresto delle pompe
Uno degli eventi più critici per i sistemi acquedottistici e fognari è l’arresto della pompa: lo spegnimento completo della pompa provoca una decelerazione e, di conseguenza, una depressione che si propaga con una velocità che dipende dalle caratteristiche del fluido e delle tubature. La pressione negativa può provocare gravi danni: la deformazione e la rottura dei tubi, lo spostamento delle guarnizioni e l’ingresso di sostanze contaminanti attraverso i punti di perdita. Inoltre, se la linea piezometrica scende al di sotto del valore negativo corrispondente alla pressione di vapore c'è anche il rischio di “distacco di vena”, fenomeno dovuto alla formazione e successivo collasso di sacche di vapore che producono forti aumenti di pressione ad alta frequenza, talvolta distruttivi.

profilo condotta - arresto pompe

Lo schema riporta il profilo di una condotta, con pompe e serbatoio di valle come condizioni al contorno.  La linea tratteggiata blu scuro rappresenta la HGL e la linea tratteggiata azzurro chiaro la statica. È evidenziata l'onda di pressione negativa che si propaga a valle per effetto dell’arresto della pompa; il segmento rosso corrisponde al tratto interessato dalla depressione durante la fase iniziale dell'evento.

profilo condotta - arresto pompe - 2

La seconda immagine mostra la propagazione dell'onda di pressione negativa lungo la condotta verso valle. La parte del tracciato esposta ad una forte pressione negativa è campita in rosso. Il cambio di pendenza costituisce un punto in cui può verificarsi il distacco di vena, quando sacche di vapore si formano e quindi collassano generando pericolosi colpi d'ariete, come illustrato nei 4 riquadri.

profilo condotta - arresto pompe - 3

Gli effetti dell’arresto della pompa si possono visualizzare per mezzo degli inviluppi dei valori di pressione massimi e minimi ottenuti nel corso della simulazione (nell’illustrazione rappresentati, rispettivamente, in rosso e in verde). Si nota come il sistema raggiunga il “vuoto assoluto” lungo buona parte del profilo, e il colpo d’ariete provocato dal distacco di vena in corrispondenza del cambio di pendenza.