GREENVALVE SYSTEM: FLUID DYNAMIC INVESTIGATION AND DEVELOPMENT OF TWO PROTOTYPES FOR DISTRIBUTION AND IRRIGATION APPLICATION

The GreenValve (GV) is an innovative device developed by the Fluidlab research group and patented by the Politecnico di Milano (Malavasi et al, 2018). The originality of the device lies in its ability to simultaneously respond to two fundamental needs of fluids transport that are: flow control and energy harvesting. In fact, the GV is designed to control the flow and harvest part of the energy that is normally wasted during the throttling process. Up to this stage of research, GV development had focused on the application to water distribution systems. The previous investigations of the research group highlighted interesting prospects for an extensive diffusion of the device in this field of application due to improvements that it can bring to the monitoring and management of aqueducts. During my PhD I developed two principal themes: the first one was about the optimization of the already developed GV devoted to water distribution networks. The second one regarded the extension of the GV concept to a new and still not investigated field of potential application, the irrigation. The needs and operation of the two different fields but especially the different degree of research development of the device in the two applications required different investigation approaches to the problem. The existing prototype developed for water distribution networks was subjected of a CFD analysis that investigated specific functioning features of the device such as the decoupling between regulation and energy recovery or the effective ability of the device to reduce the amount of irreversibility of the system. This analysis was made possible by the numerical approach of Second Law Analysis for losses estimation. The deeper knowledge of the fluid-dynamic functioning allowed the optimization of the rotor with an increase of the GV numerical efficiency from 11.4 to 19.2%. With regard to irrigation field, a new prototype has been proposed for the irrigation application according to the specific requirements of this sector, which unlike aqueducts requires on-off operation of the device and different valve capacity. The irrigation prototype has been subjected to a preliminary numerical analysis and subsequent prototype design and experimental characterization, which highlighted several potential development possibilities.

La GreenValve (GV) è un dispositivo innovativo sviluppato dal gruppo di ricerca Fluidlab e brevettato dal Politecnico di Milano (Malavasi et al, 2018). L'originalità del dispositivo risiede nella sua capacità di rispondere contemporaneamente a due esigenze fondamentali del trasporto dei fluidi: il controllo del flusso e la raccolta di energia. Infatti, il GV è progettato per controllare il flusso e raccogliere parte dell'energia che normalmente viene sprecata durante il processo di strozzamento. Fino a questa fase della ricerca, lo sviluppo del GV si è concentrato sull'applicazione ai sistemi di distribuzione dell'acqua. Le precedenti indagini del gruppo di ricerca hanno evidenziato interessanti prospettive per un'ampia diffusione del dispositivo in questo campo di applicazione, grazie ai miglioramenti che può apportare al monitoraggio e alla gestione degli acquedotti. Durante il dottorato ho sviluppato due temi principali: il primo riguardava l'ottimizzazione del GV già sviluppato dedicato alle reti di distribuzione idrica. Il secondo riguardava l'estensione del concetto di GV a un nuovo e non ancora indagato campo di potenziale applicazione, l'irrigazione. Le esigenze e il funzionamento dei due diversi campi, ma soprattutto il diverso grado di sviluppo della ricerca del dispositivo nelle due applicazioni, hanno richiesto approcci diversi al problema. Il prototipo esistente, sviluppato per le reti di distribuzione idrica, è stato sottoposto a un'analisi CFD che ha indagato su specifiche caratteristiche di funzionamento del dispositivo, come il disaccoppiamento tra regolazione e recupero di energia o l'effettiva capacità del dispositivo di ridurre l'irreversibilità del sistema. Questa analisi è stata resa possibile dall'approccio numerico dell'Analisi della Seconda Legge per la stima delle perdite. La conoscenza approfondita del funzionamento fluidodinamico ha permesso di ottimizzare il rotore con un aumento dell'efficienza numerica del GV dall'11,4 al 19,2%. Per quanto riguarda il campo dell'irrigazione, è stato proposto un nuovo prototipo per l'applicazione irrigua secondo le esigenze specifiche di questo settore, che a differenza degli acquedotti richiede un funzionamento on-off del dispositivo e una diversa capacità delle valvole. Il prototipo per l'irrigazione è stato sottoposto a un'analisi numerica preliminare e alla successiva progettazione del prototipo e caratterizzazione sperimentale, che ha evidenziato diverse possibilità di sviluppo.