09458 - FLUIDODINAMICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente possiede e sa applicare le conoscenze sulla fluidodinamica di base, in particolare le nozioni fondamentali di aerodinamica e gasdinamica, alla soluzione dei problemi di maggiore interesse per l'Ingegneria Aerospaziale

Contenuti

Modulo 1: Fluidodinamica
Introduzione all'analisi tensoriale. Cinematica dei corpi deformabili: descrizioni del moto. Descrizione Euleriana e Lagrangiana. Teorema del trasporto di Reynolds. Conservazione della massa. Dinamica e termodinamica dei corpi deformabili: conservazione della quantità di moto e dell'energia. Relazioni costitutive per fluidi newtoniani e non newtoniani. Bilancio di entropia.   Sistema completo di equazioni per i campi fluidodinamici. Parametri adimensionali. Metodi alle differenze finite per problemi di convezione-diffusione. Convezione naturale e forzata. Bassi numeri di Reynolds: flussi alla Stokes.   Soluzioni asintotiche per alti numeri di Reynolds. Equazioni di Eulero. Moto irrotazionale: vorticità, circolazione, condizioni di persistenza del moto irrotazionale. Equazione del trasporto della vorticità. Flussi a potenziale. Equazione di Bernoulli e di Crocco. Scie vorticose. Formulazione integrale per flussi rotazionali non viscosi. Modelli agli elementi di contorno.   Strato limite. Metodi analitici e numerici di soluzione. Soluzione di Blasius su lastra piana.   Soluzioni esterne per fluidi comprimibili. Condizioni di piccole perturbazioni per flussi subsonici e supersonici. Le equazioni generali dell'urto, come discontinuità; soluzione interna e spessore dell'urto.  

Modulo 2: Sistemi energetici

Conoscenze di base
Classificazione delle macchine. Principio di conservazione della massa. Principio di conservazione dell'energia per sistema aperto. Principio di conservazione dell'energia per sistema chiuso. Entropia. Entalpia.

Gas perfetti e gas ideali.Trasformazioni dei gas perfetti. Rendimento isoentropico e politropico di compressione. Rendimento isoentropico e politropico di espansione.

Combustione: aria stechiometrica. Eccesso d'aria. Rapporto di equivalenza. Potere calorifico. Determinazione della massa di aria stechiometrica per il metano CH4 (esempio).

Sistemi con turbina a gas

Introduzione ai gruppi turbogas. Ipotesi di lavoro. Ciclo di Brayton semplice: lay-out, descrizione delle macchine utilizzate, temperature medie del ciclo.

Ciclo di Brayton: potenza, rendimento totale, rendimento organico, termodinamico e della camera di combustione. Bilancio in camera di combustione.

Condizione di autosufficienza: reale ed ideale (isoentropica), caso limite. Gradi di libertà di un ciclo di Brayton semplice.

Ottimizzazione termodinamica: condizione di massimo lavoro e di massimo rendimento termodinamico. Adimensionalizzazione dei parametri del ciclo. Valutazione per via grafica del rendimento termodinamico. Caso reale e caso ideale. Grafico del rendimento termodinamico in funzione del lavoro utile. Rendimento termodinamico ideale come rendimento del ciclo di Carnot.

Determinazione per via grafica dell'andamento del lavoro di turbina e del lavoro di compressione ideali e reale: valutazione grafica del lavoro utile. Analisi termodinamica in funzione del rapporto di compressione: rapporto di compressione limite nel caso reale ed ideale.

Ciclo di Brayton rigenerativo: diagramma di scambio termico, rapporto di compressione limite, vantaggi e svantaggi del ciclo, valutazioni sul rendimento termodinamico.

Ciclo a compressione frazionata inter-refrigerata: ciclo, considerazioni sul lavoro di compressione, minimizzazione del lavoro di compressione, valutazioni sul rendimento termodinamico in funzione dei cicli I e II, rendimento termodinamico grafico.

Ciclo ad espansione frazionata inter-riscaldata ciclo, considerazioni sul lavoro di espansione,  massimizzazione del lavoro di espansione, valutazioni sul rendimento termodinamico in funzione dei cicli I e II, rendimento termodinamico grafico.

Cicli frigoriferi a compressione

Ciclo di Carnot motore e frigorifero. Rendimento termodinamico e coefficiente di prestazione frigorifero: confronto e diagramma.

Ciclo frigorifero a compressione semplice.

Considerazioni sulla temperatura di condensazione e sul rapporto con la temperatura di vaporizzazione. Ciclo frigorifero a compressione frazionata.

Ciclo frigorifero ad aria.

Cicli per la liquefazione dei gas permanenti: Hampson.

Cicli per la liquefazione dei gas permanenti: Linde.

 

Pompe centrifughe

Pompe centrifughe: disegno di massima, funzionamento, equilibramento delle spinte assiali.

Dimostrazione del lavoro alla differenza delle energie cinetiche e secondo Eulero.

Legame fra prevalenza, densità ed incremento di pressione.

Rendimento totale della pompa.

Triangoli di velocità per pale scheletriche, prevalenza teorica e reale di una pompa (pale avanti, indietro, radiali) per via analitica, curve di prestazione per dato n ed al variare di n.

Indice caratteristico delle pompe.

Dimensionamento di massima della voluta.

Difetto di deviazione della vena e circolazione interna ai canali palari.

Adescamento.

Cavitazione: NPSH limite e dell'impianto, significato fisico dello NPSH, impianto di prova per la determinazione sperimentale dello NPSH e determinazione della curva NPSH-portata dalla curva di prevalenza reale, andamento teorico e reale della pressione all'interno della pompa.

Punto di funzionamento teorico e reale: pompa sopra e sotto battente.

Pompaggio.

Testi/Bibliografia

Appunti di Fluidodinamica del Prof. Piva

Sistemi energetici e loro componenti, 2a ed., G. Negri di Montenegro, M. Bianchi, A. Peretto, Pitagora Editrice Bologna

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova suddivisa in due fasi distinte:

1) per il modulo 1 – L'esame consiste in un esame scritto seguito da un colloquio orale
2) per il modulo 2- L'esame consiste in un colloquio orale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta De Angelis

Consulta il sito web di Stefania Falfari