29897 - FLUIDODINAMICA T

Scheda insegnamento

SDGs

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

Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente ha acquisito le conoscenze necessarie per esaminare, in termini operativi, vari aspetti del trasporto di fluidi, effettuando anche la scelta degli apparati a ciò necessari. Ha inoltre acquisito familiarità con gli aspetti di base della meccanica dei fluidi.

Contenuti

Conoscenze in ingresso:

Conoscenze matematiche: Metodi di integrazione e derivazione, equazioni differenziali ordinarie, algebra matriciale, calcolo vettoriale e tensoriale, trigonometria.
Conoscenze fisiche: grandezze fisiche di natura meccanica (forza, accelerazione, velocità, pressione, etc..) e loro rappresentazione, vettori e operazioni coi vettori.
Conoscenze termodinamiche: bilancio di materia e di energia per una sostanza pura, equazione di stato dei gas perfetti, processi isotermici e adiabatici.
Analisi Numerica.

1. Analisi dimensionale

Dimensioni e sistemi di unità di misura. Omogeneità dimensionale delle relazioni fisiche. Il teorema di Buckingham. I Passaggi dell'analisi dimensionale (Metodo di Kelvin). Analisi dimensionale come metodologia di scale-up e come metodo per valutare gli ordini di grandezza di fenomeni fisici simultanei.

2. Bilancio integrale di quantità di moto
Bilancio della quantità di moto in condizioni stazionarie: a) Eiettori; b) Reazioni Vincolari: forza esercitata da fluidi in moto su superfici solide ed elementi di riduzione, su curve, sulle pale di una turbina Pelton, su sbarramenti idraulici; c) Propulsione stazionaria.
Bilancio del momento della quantità di moto. Esempio: l'incidente di Flixborough.

3. Fluidostatica
Forze agenti su una particella di fluido, tensore degli sforzi in un fluido in moto e in quiete. La pressione e la distribuzione della pressione in un fluido incomprimibile immerso in un campo gravitazionale (idrostatica): legge di Stevino. Distribuzione della pressione in un fluido incomprimibile immerso in un campo gravitazionale soggetto a un moto d'insieme uniformemente accelerato.
Manometri: a tubo a U, “a serbatoio”, inclinato, differenziale a 2 fluidi. Altri dispositivi contenenti fluidi in quiete: guardia idraulica.
Cenni sulla tensione superficiale: angolo di contatto, risalita capillare.
Principio di Archimede- forza di galleggiamento (buoyant force), equilibrio di corpi immersi, cenni sulla stabilità dell'equilibrio. Forza esercitata su superfici solide piane da fluidi in quiete.

4. Moto interno a condotte

Analisi dimensionale per lo sforzo viscoso nel moto interno a condotte. Il numero di Reynolds e il suo legame col regime di moto. Regime laminare e di Stokes.
Regime turbolento, tubi scabri: diagramma di Moody.
Correlazione di Churchill.
Bilancio integrale di qdm per una corrente monodimensionale, equazione di Bernoulli, teorema generalizzato di Bernoulli. Perdite di carico distribuite e concentrate.
Caratteristiche dei tubi: diametro nominale, numero di schedula , diametri commerciali per tubi, scabrezza.
Problemi di progetto e verifica di condotte.
Algoritmi di risoluzione numerica in Excel per problemi di verifica e progetto di condotte.
Reti di Condotte.
Condotte altimetriche: linea dei carichi.

Misuratori di portata: venturimetro, bocchello, diaframma forato, Tubo di Pitot. Algoritmi di risoluzione numerica in Excel per problemi di verifica e progetto di flussimetri.

5. Movimentazione dei fluidi
Pompe Volumetriche: p. alternative e rotative.
Pompe Centrifughe: analisi dimensionale del funzionamento di pompe centrifughe, curva caratteristica e sua variazione col numero di giri e col diametro. Numero di giri caratteristico.
Cavitazione e altezza positiva di aspirazione (Net Positive Suction Head, NPSH).
Accoppiamento pompa-circuito: determinazione del punto di funzionamento con metodo numerico in Excel.
Problema di progetto: scelta delle pompa centrifuga (Q fissata).
Regolazione della portata in un circuito con pompa centrifuga.
Valvole di regolazione della portata e curva caratteristica delle valvole (lineari, a eguale percentuale, paraboliche, ad apertura rapida).

6. Flusso Esterno
Analisi dimensionale del problema. Valutazione del coefficiente di attrito CD nel flusso esterno: correlazione di Dalla Valle, legge di Stokes.
Viscosimetro a sfera cadente e velocità terminale di caduta di particelle sferiche.
Sedimentatori, apparati di separazione di particelle. Problemi di dimensionamento e verifica.

7. Bilanci microscopici, descrizione analitica di moti laminari e cenni di reologia
Descrizione Lagrangiana ed Euleriana del moto; derivata locale e derivata sostanziale.
Bilancio locale di quantità di moto; espressione per la velocità di deformazione; espressione del tensore degli sforzi per fluidi newtoniani.
Profilo di velocità e sforzo nel moto di Couette piano e nel moto di Poiseuille piano e cilindrico.
Viscosità; fluidi Non Newtoniani: fluidi di Bingham, pseudoplastici, dilatanti, viscosimetro rotazionale “cup and bob”.

Testi/Bibliografia

Dispense fornite dal docente.

testi raccomandati:

  • Y. A. Çengel, J. M. Cimbala, "Meccanica dei fluidi", 2007, Mc Graw Hill,
  • R. Darby "Chemical Engineering Fluid Mechanics", 2nd Ed., Marcel Dekker, 2001,

Altri testi suggeriti:

  • N. DeNevers, "Fluid Mechanics for Chemical Engineers" McGraw-Hill 2004;
  • Fay, J.A.: "Introduction to Fluid Mechanics", MIT Press, 1995.
  • Marchi E., Rubatta A, "Meccanica dei fluidi: principi e applicazioni idrauliche", UTET 1981;
  • Foraboschi F.P., "Principi di ingegneria chimica", UTET 1973.

Metodi didattici

Lezioni con uso di lavagna e di slides. Introduzione della teoria e risoluzione di esercizi d'esame.

Proiezione di video didattici per la visualizzazione di fenomeni fisici e apparati ingegneristici.

Risoluzione di problemi tramite metodo numerico con l'uso di fogli di calcolo svolti in laboratorio di calcolo o costruiti dallo studente a casa tramite e-learning (video tutorials).

Videoregistrazione delle lezioni

Esercizi d'esame risolti passo-passo

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste di una prova teorica con domande a risposta multipla e di una prova pratica con risoluzione di esercizi, svolte in sequenza nell'arco della stessa giornata. E' prevista una soglia minima in entrambe le prove per superare l'esame. Il voto finale è una media dei punteggi conseguiti nelle due prove.

Prova teorica

La prova teorica consiste nella risposta a domande su aspetti di teoria a risposta multipla. Per risposte sbagliate è previsto un punteggio negativo. La durata della prova è di circa 30 min.

Prova pratica

La prova pratica consiste nella risoluzione di 4/5 esercizi nell'arco di 2 ore circa.

Si può usare una calcolatrice scientifica e/o un computer portatile.

Si possono usare fogli di calcolo autonomamente preparati usando un software a piacere (Excel, Matlab, Mathematica etc.), e gli algoritmi risolutivi illustrati a lezione e descritti nei video tutorials.

Si possono consultare le tabelle fornite espressamente per l'esame e caricate su IOL

Si può consultare 1 formulario scritto a mano su un foglio A4, da un singolo lato.

Non si possono consultare testi, dispense, video tutorials, tabelle diverse da quelle fornite, nè in modalità digitale nè cartacea.

Non si può comunicare in qualsiasi forma con altri studenti o con l'esterno, durante tutta la prova.

Istruzioni di dettaglio sullo svolgimento della prova saranno pubblicate su IOL

Attribuzione del voto e della lode

Il voto consiste nella media pesata dei punteggi della prova teorica (circa 30%) e della prova pratica (circa 70%). La lode viene attribuita allo studente che abbia ottenuto un punteggio superiore al 30/30 in seguito alla valutazione complessiva di prova teorica e pratica.

Date appelli e ripetizione delle prove

Sono previsti almeno 6 appelli annuali, di cui almeno tre nella sessione estiva, uno nella sessione autunnale e due nella sessione invernale.

1) Non sono previsti appelli straordinari al di fuori delle sessioni d’esame
2) entro 5 gg dalla data di pubblicazione dell'esito dell'esame si deve decidere se verbalizzare il voto conseguito, o rifiutare e ripetere la prova (per una sola volta)
3) in caso di rifiuto, si deve ripetere tutta la prova (sia parte teorica che pratica)
4) al secondo superamento dell'esame, il voto viene verbalizzato automaticamente e l'esame non può essere sostenuto ulteriormente.

Strumenti a supporto della didattica

Dispense fornite dal docente e scaricabili gratuitamente su Virtuale.

Video didattici per la visualizzazione di fenomeni fisici e apparati ingegneristici.

Video tutorial per l'impostazione di fogli di calcolo per la risoluzione di problemi.

Esempi di soluzione di esercizi con metodo analitico e numerico.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Matteo Minelli