15616 - TERMOFLUIDODINAMICA APPLICATA

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce le nozioni fondamentali sulla fluidodinamica e la trasmissione del calore e sa applicare le tecniche analitiche e numeriche per la soluzione dei problemi di maggiore interesse per l'Ingegneria Meccanica.

Programma/Contenuti

  • Generalità sulle modalità di scambio termico (3 ore circa).
  • Conduzione (22 ore circa).
    • Legge di Fourier. Conducibilità termica. Linee isoterme. Equazione del calore in differenti tipi di coordinate cartesiane. Condizioni al contorno di differenti tipi. Conduzione stazionaria monodimensionale. Equazione del calore nei diversi sistemi di coordinate. Condizioni iniziali e al contorno. Conduzione stazionaria senza generazione interna per diversi tipi di geometrie: lastra piana, cilindro, sfera. Conduzione monodimensionale con generazione. Conduzione bidimensionale stazionaria. Metodo di soluzione per separazione delle variabili. Introduzione ai problemi non stazionari. Conduzione non-stazionaria. Modello a parametri concentrati, forma semplificata. Numero di Biot e numero di Fourier. Modello a parametri concentrati. Forma generalizzata. Esempi di casi risolubili. Conduzione non stazionaria monodimensionale in geometria piana, cilindrica e sferica. Forme semplificate e loro campo di applicazione. Conduzione non stazionaria monodimensionale in mezzo semi-infinito. Casi. Variabile di similitudine. Soluzione e impiego per descrivere lo scambio a numeri di Fourier bassi. Conduzione non stazionaria in mezzi semi-infiniti: particolarità. Utilizzo di un programma per la soluzione numerica di problemi di scambio termico.
  • Convezione (20 ore circa).
    • Generalità. Strato limite di quantità di moto, termico e di concentrazione. Coefficienti di trasporto locali e medi. Equazioni dello strato limite. Strato limite dinamico. Numero di Reynolds. Adimensionalizzazione. Strato limite termico. Equazioni dello strato limite. Forme funzionali delle soluzioni per lo strato limite. Significato dei raggruppamenti adimensionali. Analogia tra i tipi di trasporto: scambio termico e di specie, analogia di Reynolds Analogia di Chilton-Colburn. Flussi convettivi forzati esterni. Metodo empirico per il computo dei coefficienti di trasporto. Metodo analitico. Lastra piana isoflusso: regime laminare e turbolento. Cilindro. Sfera. Correlazioni empiriche per flussi esterni. Flussi forzati interni. Regione di sviluppo termoidraulico. Lunghezza di mescolamento. Temperatura di mescolamento. Problema di Graetz. Correlazioni per lo scambio termico convettivo interno in regime laminare e turbolento. Convezione naturale. Equazioni dello strato limite. Raggruppamenti adimensionali. Convezione naturale. Lastre piane inclinate e orizzontali. Cilindri.
  • Scambiatori di calore (5 ore circa).
    • Generalità. Bilanci energetici. Metodo del salto termico medio logaritmico. Scambiatori di calore. Metodo epsilon-NTU. Portata termica oraria. Flussi bilanciati. Casi particolari. Problemi di dimensionamento e verifica.
  • Irraggiamento (10 ore circa).
    • Generalità. Emissione. Potere emissivo. Irradiazione. Radiosità. Corpo nero. Distribuzione di Planck. Legge di Stefan-Boltzmann. Legge di Wien. Funzione di distribuzione cumulata del potere emissivo. Irraggiamento. Proprietà superficiali. Emissività. Coefficiente di assorbimento. Legge di Kirchhoff. Corpi grigi. Corpi lambertiani. Fattori di forma e regole per il loro calcolo. Schermi alla radiazione. Superfici reirradianti.

 

Testi/Bibliografia

Tutto il programma viene svolto a lezione e le diapositive proiettate sono disponibili nel materiale didattico.

Per chi non frequenta o desidera una versione testuale degli argomenti, il testo necessario è:

Incropera, DeWitt, Bergman, Lavine Principles of Heat and Mass Transfer, 7th Ed. International Student Version. Wiley 2011.

Un testo in italiano che può parzialmente sopperire è:

Fondamenti di trasmissione del calore -  Gianni Comini , Giovanni Cortella edizioni S.G.E., 2013

Per gli esercizi sono necessarie tabelle delle proprietà termodinamiche e termofisiche, presenti tra il materiale didattico e in appendice del testo necessario.

Per eventuali approfondimenti si consiglia:

Guglielmini - Pisoni - Introduzione alla trasmissione del calore - Casa Editirice Ambrosiana 2002.
Guglielmini - Pisoni - Elementi di trasmissione del calore -  Casa Editirice Ambrosiana 1996.

Metodi didattici

Il corso si compone di 60 ore di lezioni frontali. Inframmezzate alle parti in cui sono esposti e discussi gli aspetti teorici e applicativi degli argomenti del corso vengono svolti esercizi mirati alla illustrazione e del metodo di analisi e soluzione dei problemi e del procedimento numerico che porta al risultato. Si esemplifica l'uso di diagrammi e normogrammi necessari allo svolgimento degli esercizi.

Relativamente al "...ruolo giocato dalla frequenza a lezione nel processo di apprendimento e in quello di valutazione" (sic), per il secondo aspetto, questo è nullo: non essendo previste prove di verifica in itinere, la presenza dello studente a lezione non fornisce alcunché di valutabile. Relativamente al processo di apprendimento, aspetto individuale, nulla si può dire di generale: il docente consiglia la frequenza delle lezioni a tutti coloro che ritengono che questa sia più proficua di un uguale tempo (incluso quello per gli spostamenti, se imputabili solo al corso) speso nello studio individuale sul materiale del corso.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consta in una prova scritta e in una orale. Il superamento dello scritto è condizione necessaria e sufficiente per l'ammissione alla prova orale. Lo scritto verte sulla soluzione numerica di problemi su tutte le tematiche trattate nel corso, mentre l'orale è principalmente incentrato su domande sui fondamenti teorici e le applicazioni, ancora una volta relativi a tutti argomenti trattati nel corso.

Non sono previste prove intermedie.

Lo scritto ha durata massima di tre ore e deve essere superato per potere accedere alla prova orale. La prova orale si tiene immediatamente dopo la correzione degli scritti, lo stesso giorno quando possibile, altrimenti il primo giorno utile successivo. Per potere sostenere lo scritto è necessario iscriversi attraverso AlmaEsami. Lo scritto consiste di tre esercizi, su tutti gli argomenti svolti nel corso. Ciascun esercizio risolto correttamente fornisce 12 punti (36 in totale); laddove più quesiti siano posti nello stesso esercizio, per ciascuno di essi è indicato il valore in punti della risposta corretta. Se i dati di un quesito sono necessari per rispondere a domande successive, vengono anche forniti valori ausiliari (VA), da impiegare in caso non si sia in grado di ricavare quelli necessari. Non è ammesso altro strumento ausiliare che la calcolatrice. Tutte le tabelle e le correlazioni eventualmente necessarie per lo svolgimento degli esercizi sono allegate o contenute nel testo dello scritto. La soglia di ammissione alla prova orale è di 18 punti.

Una selezione dei testi degli scritti corredati dalle soluzioni è disponibile sul sito del corso in insegnamenti online.

L'orale consta di due domande su tutti gli argomenti del programma di esame: è necessario rispondere in maniera sufficiente ad entrambe per ottenere un esito positivo della prova. Durante l'esposizione il docente pone ulteriori domande o richiede chiarimenti, sempre inerenti gli argomenti trattati nel corso. La durata dell'orale dipende dal tempo impegato dai candidati per rispondere alle domande poste. Il mancato superamento della prova orale implica l'obbligo di ripetere la prova scritta.

I voti previsti vanno da 18 a 30 con lode. Ribadita la necessità di superare lo scritto per potere accedere all'orale, i voti sono assegnati dal docente in base al suo personale giudizio, in quanto è convinzione dello scrivente che l'assegnazione del punteggio finale sia una prerogativa del mestiere di docente, se fosse quantificabile la valutazione potrebbe essere svolta da macchine. Come principi generali, che comunque si riducono a ovvietà dettate dal buon senso, la sufficienza implica un grado di conseguimento delle conoscenze e delle competenze appena bastevole, con una valutazione che cresce in base alla conoscenza che i candidati mostrano nel rispondere alle domande poste. I voti più elevati sono conseguibili solo dimostrando anche la capacità di sapere svolgere ragionamenti a partire dalle conoscenze conseguite, che è manifestazione di vera acquisizione di competenze al di là di ciò che una macchina può svolgere.


Strumenti a supporto della didattica

Esercitazioni e dimostrazioni sperimentali in aula. Lavagna, PC, proiettore.

Il materiale didattico utilizzato a lezione (schemi e diapositive) è aaccessibile sul sito del corso in insegnamenti online

Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna.


Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Lorenzini