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direttore Filippo Astone

I segreti della Galleria del Vento del Politecnico di Milano

di Maria Mezzetti♦Viaggio nella struttura di sperimentazione eolica più grande d’Europa, che ha reso possibile la costruzione di City Life e del Terzo Ponte sul Bosforo, ma anche la progettazione di grandi camion e treni ad alta velocità. Per mezzo di tecnologie Abb

I grattacieli di Milano City Life, una barca di Coppa America, il terzo ponte sul Bosforo Yavuz Sultan Selim. E ancora, il Palazzo Italia Expo Milano, lo Stadio Al Wakrah in Qatar, la bicicletta del campione olimpico Elia Viviani, lo slittino del campione olimpico Armin Zoeggler. Il caschetto del ciclista Michael Rogers e gli elicotteri di Leonardo. Manufatti hi-tech che hanno un elemento in comune: sono tutti passati dalla Galleria del Vento del Politecnico di Milano (Gvpm), la più grande struttura di questo tipo in Europa, che ha finalità sia di ricerca accademica sia di concreto sviluppo di progetti industriali.

 

Il ciclista Elia Viviani, medaglia d’oro ai giochi olimpici di Rio de Janeiro 2016 nell’Omnium Ciclismo su Pista

 

La Galleria è una delle quattro Grandi Infrastrutture di Ricerca gestite dall’Ateneo, e coinvolge l’attività dei dipartimenti di Meccanica, di Energia e Aerospaziale. Le cifre di riferimento essenziali sono un costo di investimento stimabile in 20 milioni di euro, circa 10 persone dedicate a tempo pieno alla gestione operativa dell’impianto, circa 15 persone tra Ricercatori e Prosessori dei Dipartimenti citati fortemente coinvolti in attività di ricerca che vedono l’utilizzo della Galleria del Vento e circa 10 studenti ogni anno attivi con tesi di Laurea Magistrale e/o di Dottorato.

L’indotto economico globale, per i Dipartimenti titolari dei contratti di ricerca e/o di Prove strettamente connessi con attività in Galleria del Vento, si può stimare dell’ordine di 2 milioni di euro l’anno. Si sottolinea tuttavia che la presenza della Galleria del Vento nel Campus Bovisa del Politecnico è stata occasione per far nascere settori di ricerca applicata prima assenti, citiamo tra tutti l’Aerodinamica dello Sport e le attività nel settore Wind Energy attualmente in grande sviluppo. Tra i clienti ci sono player internazionali nel settore dell’Ingegneria e delle Costruzioni come Bombardier, Leonardo, Vestas, Enel, Ansaldo Breda, Salini-Impregilo, ARUP, Parsons NY.

 

Turbina eolica in scale DTU 10MW montata su piattaforma a 6 GdL mossa da un esapode per la simulazione di una piattaforma offshore flottante (progetto Horizon 2020 LIFES50+)

 

Ma perché è necessario uno strumento del genere per prove sperimentali quando esistono computer potenti, in grado di simulare certi scenari? Non bastano i gemelli digitali, i Plc ed i potenti software di simulazione di cui Industria Italiana ha lungamente trattato, per esempio qui e qui? «La complessità del vento supera le capacità computazionali. La nostra Galleria del Vento in sostanza convalida il modello matematico visualizzandolo nella camera di prova», spiega Alberto Zasso, direttore della Gvpm. «Qui si prova tutto ciò che interagisce con il vento», aggiunge il responsabile tecnico Luca Ronchi. Messa in funzione nell’autunno 2001, la Gvpm è molto versatile, con due camere di prova, una per oggetti che nella realtà si muovono nel vento, come aerei o elicotteri, e un’altra per oggetti che al vero non si muovono affatto ma dal vento vengono lambiti, come edifici, ponti, campi eolici.

 

Prove su modelli in scala di grandi coperture flessibili: il nuovo Stadio di Atene

 

E forse non tutti sanno che a rendere possibile il funzionamento della galleria è Abb, che fornisce i motori elettrici che azionano le ventole capaci di riprodurre il vento in tutte le sue complessità, ma soprattutto un sistema di controllo digitale integrato, «adatto per gestire applicazioni complesse senza fare ricorso a Plc speciali », dice Alberto Lezza, Project Manager di Abb. Con la piattaforma Ability della multinazionale svizzero-svedese guidata da Ulrich Spiesshofer (di cui abbiamo parlato qui e qui) è infatti possibile sia monitorare l’andamento del test in Galleria (potendo anche intervenire in tempo reale), sia avere la funzione di archiviazione e reportistica, in modo da attingere a tutte le informazioni con facilità da un unico strumento. Nelle gallerie del vento si provano in generale modelli in scala ridotta di aerei, automobili, camion, treni, elicotteri, moto, ma anche ciclisti, sciatori e, secondo i dettami delle recenti normative, edifici, ponti a grande luce, stadi di calcio e imbarcazioni. Infatti qui sono stati testati i grattacieli del nuovo quartiere Isola di Milano (torri Solaria e Diamante, Bosco verticale, ecc) e del quartiere Citylife (torri Isozaki, Hadid e Liebeskind).

 

Prove su modelli in scala di edifici con facciate innovative a doppia pelle a basso impatto energetico: il Nuovo Centro Direzionale ENI a Milano

Dentro la Galleria

Concepita per studiare l’andamento dell’aria attorno a un corpo, la Galleria del Vento è un impianto che permette la misura di velocità, pressioni e forze esercitate dall’aria sul corpo interessato. Può essere del tipo “a ciclo aperto” o “a ciclo chiuso”, a seconda che il flusso d’aria sia espulso all’esterno o venga fatto ricircolare al suo interno. Quella del Politecnico di Milano è a circuito chiuso. «Volevamo renderla disponibile sia a chi si occupa di strutture civili, sia a chi progetta veicoli e velivoli. Per ognuna di queste funzioni c’è un set up che è studiato per integrarsi con una delle camere di prova. Dato che si utilizzano generalmente due modalità di prova, una con la vena laminare e una con vena turbolenta, abbiamo ritenuto di creare un impianto con una camera di prova adatta all’utilizzo con vena laminare, quindi alta velocità e nessuna turbolenza, adatta per i veicoli e i velivoli in moto relativo rispetto all’aria ferma, come aerei ed elicotteri; e con un’altra camera di prova adatta per oggetti che nella realtà non si muovono affatto ma interagiscono con il vento naturale terrestre, caratterizzato da elevata turbolenza, per esempio edifici o ponti», spiega Ronchi.

La Galleria del Vento è organizzata come un circuito chiuso disposto sul piano verticale con due camere di prova: alta velocità e bassa turbolenza nel ramo inferiore / bassa velocità e strato limite nel ramo superiore

 

La camera di prova posta nella parte superiore della Galleria del Vento, quella “a vena turbolenta”, è dotata di una piattaforma girevole su cuscino d’aria con diametro di 13 metri con rotazione relativa rispetto al vento gestibile mediante il sistema di controllo. La rotazione è necessaria in quanto nella realtà il vento non arriva solo da una direzione, pertanto è proprio la piattaforma che permette di ruotare i modelli per testare il loro comportamento relativamente al vento incidente da ogni lato. Grazie alle rilevanti dimensioni (14x4x30 metri) è possibile effettuare test su modelli in scala 1:1 o riproduzioni più piccole ma con un’alta cura del dettaglio: si va indicativamente da fattori di scala 1:300 per ponti ad grande luce, a 1:200 per edifici e aree urbane, a 1:80 per le turbine eoliche, a 1:10 per le imbarcazioni.

La camera di prova posta invece nel ramo inferiore, detta “a vena laminare”, ha un volume di 4x3,8x5 metri, è qui che si raggiunge la massima velocità consentita dall’impianto pari a circa 200km/h con i minimi valori di turbolenza, dell’ordine dello 0.15%. In un reparto dedicato sono conservati modelli rappresentativi di altri progetti, tra i quali spiccano il ponte di Messina (allo stato attuale non ancora costruito), Il ponte Braila, attualmente in costruzione sul Danubio, il terzo ponte sul Bosforo recentemente entrato in esercizio. Un tema molto stimolante attualmente è il rapporto tra la ricerca fatta con approccio sperimentale, tipica da Galleria del Vento e quella fatta tramite le tecniche numeriche rese sempre più capaci di simulare la realtà fisica grazie alla crescente potenza dei mezzi di calcolo disponibili.

 

Prove su modelli aeroelastici di ponti sospesi a grande luce: il nuovo ponte sospeso sul danubio a Braila (Romania)

 

«Sembrerebbe a prima vista un rapporto conflittuale di “concorrenza», dice il direttore della Galleria del Vento Prof. Alberto Zasso, «ma non è affatto così, anzi, il grande vantaggio di disporre delle straordinarie risorse sperimentali rese disponibili dalla Galleria del Vento è di consentire la validazione dell’approccio numerico soprattutto nei casi molto complessi dell’interazione con la turbolenza del vento terrestre. Nel vento terrestre infatti domina la turbolenza che rende la velocità sempre variabile in modo complesso sia nel tempo che nello spazio, rendendo arduo il compito previsionale delle tecniche numeriche».

 

 

Modellazione numerica dello strato limite terrestre simulato in Galleria: progetto Horizon 2020 CL-Windcon su controllo avanzato di Wind Farm (Technical University of Munich – TUM)

 

«Può sembrare strano,- dice sempre Zasso – ma è in atto nei nostri gruppi di ricerca attivi nella sperimentazione in Galleria del Vento, un investimento rilevantissimo proprio nelle tecniche numeriche di Fluididinamica Computazionale (CFD), finalizzato a rendere sempre più disponibile un riscontro diretto e una validazione incrociata tra la misura sperimentale e la simulazione numerica. Tutto questo genera un potentissimo “circolo virtuoso” in cui per esempio è possibile visualizzare con tecniche numeriche la complessità delle traiettorie del flusso che interagisce con il ponte che oscilla o con la turbina eolica in rotazione o con una sequenza di turbine eoliche in scia, tenendo conto del contributo della turbolenza del vento terrestre modellato in Galleria del Vento».

«Sono sempre più frequenti i casi in cui lo scopo delle prove sperimentali che facciamo in Galleria del Vento è esplicitamente quello di rendere disponibile la sperimentazione di fenomeni complessi su modelli in scala, che diano un riscontro prezioso e robusto per la validazione della modellistica numerica dell’esperimento stesso su modello in scala, per poi utilizzarla per la previsione del comportamento in scala reale. Questo è il caso dell’interazione del vento terrestre con le turbine eoliche, dove il riscontro sperimentale su una Wind Farm al vero è pressochè impossibile. E i primi a lavorare sui modelli numerici, per esempio sul modello numerico del vento turbolento che generiamo in Galleria siamo proprio noi, allo scopo di rendere disponibile ai nostri Clienti una sperimentazione sempre più consapevole della complessità dei fenomeni con cui andiamo a giocare».

 

I 14 ventilatori Boldrocchi-ABB forniscono potenza al flusso di Galleria per un totale di circa 1.5MW

I motori Abb che rendono possibile il funzionamento della Galleria del Vento più grande d’Europa

Il vento in Galleria è generato da 14 grandi ventilatori, disposti in due file, sovrapposte, da sette ciascuna per poter generare un flusso differenziato in altezza e larghezza. Sono alimentati da motori elettrici Abb, con la possibilità di accelerarli o decelerarli a seconda delle esigenze. Il sistema di controllo ne gestisce il numero di giri, in base a parametri di rampa e velocità. Nel sistema di controllo sono previsti parametri prestabiliti per un assetto standard o la possibilità di variarli secondo la ricerca fluidodinamica che si vuole ottenere, con un insieme di impostazioni che consentono di controllare la potenza e, indirettamente, l’angolo relativo di incidenza del vento tramite la tavola girevole in relazione ai modelli da testare. La Galleria è dotata anche di sensori di temperatura e umidità, oltre a manometri differenziali per la rilevazione del differenziale di pressione, e quindi di velocità, in ogni punto all’interno della camera di prova della Galleria.

«Il sistema di controllo, sviluppato sulla piattaforma digitale Abb AbilityTM System 800xA con controllori AC800 M e I/O S800, controlla e regola non solo i nostri motori e azionamenti, ma anche tutta la sensoristica e i sistemi realizzati da altre società a corredo della Galleria; dalla tavola girevole alla gestione delle serrande, all’impianto di raffreddamento, dice Lezza, che in Abb ha seguito il progetto fin dall’inizio. «Grazie alle alte prestazioni del nostro sistema di automazione è possibile gestire applicazioni complesse senza fare ricorso a Plc speciali». Invece di avere un elaboratore programmabile messo a punto specificatamente per risolvere problemi di controllo e automazione in ambienti industriali (Plc), ovvero un computer dedicato a ognuna di queste funzioni, c’è un sistema integrato per il controllo di tutti i parametri e gli azionamenti della galleria.

 

Prove in Galleria del Vento Polimi su piani velici di imbarcazioni di Coppa America

 

Per ciascuna delle due camere è prevista una sala di controllo con stazione operatore dalla quale si può gestire il vento e monitorare tutta la sensoristica di processo della Galleria e dei test. Dalle stazioni di controllo, per mezzo delle stazioni operatore, è possibile lanciare le prove e, attraverso una grande vetrata, osservare l’andamento del modello in Galleria. Il sistema di Abb offre la possibilità di archiviazione e reportistica, che consentono ai tecnici di formalizzare l’attività svolta e documentare le prove effettuate per ciascun cliente. Parte delle aziende che si rivolgono alla Gvpm utilizza sistemi di acquisizione propri, che possono dialogare con il sistema di controllo di Abb per attingere a tutte le informazioni necessarie. Tutti i dati e la reportistica vengono memorizzati su un server dedicato. Con la piattaforma Abb Ability, si può dire che l’azienda ha stabilito un benchmark nell’ampia offerta globale di soluzioni end-to-end nel digitale.

 

Ulrich Spiesshofer
Ulrich Spiesshofer, ceo Abb

 

Abb

Nata nel 1988 dalla fusione di due grosse realtà industriali, la svedese Asea e la svizzera Brown Boveri, che già nel 1903 aveva acquisito il Tecnomasio Italiano, la più antica società elettromeccanica italiana creata nel 1863, Abb è leader tecnologico nelle reti elettriche, nei prodotti per l’elettrificazione, nell’automazione industriale, nella robotica e nel controllo di movimento. Presente in oltre 100 paesi con circa 147.000 dipendenti, Abb è all’avanguardia nella digitalizzazione industriale con l’obiettivo di portare, da una parte, l’elettricità da qualsiasi impianto di generazione a ogni utenza e, dall’altra, di realizzare l’automazione nei processi industriali dalle materie prime ai prodotti finiti. Il gruppo è leader nell’abilitazione e nella connessione digitale di apparecchiature e di sistemi con una vastissima base installata. In Italia è presente con 5.799 dipendenti e circa due miliardi di giro d’affari. Nel 2017 le esportazioni sui ricavi hanno rappresentato il 62% delle vendite totali. Con un fatturato per l’Italia per il 2017 di 2.241 milioni di euro, Abb Italia, guidata dall’ ad Mario Corsi, ne investe il 3,2% in R&S. Partner principale di Formula E, la classe di motorsport internazionale Fia con auto interamente elettriche, Abb punta molto sulla mobilità elettrica per un futuro sostenibile.

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