ID:
39020
Dettaglio:
SSD: FISICA TECNICA INDUSTRIALE
Durata: 48
CFU: 6
Sede:
DALMINE
Url:
MECHATRONICS AND SMART TECHNOLOGY ENGINEERING/PERCORSO COMUNE Anno: 2
Anno:
2024
Course Catalogue:
Dati Generali
Periodo di attività
Primo Semestre (16/09/2024 - 23/12/2024)
Syllabus
Obiettivi Formativi
Al termine del corso lo studente ha acquisito le conoscenze di base della termofluidodinamica. In particolare sa: risolvere problemi ingegneristici anche complessi nel campo dello scambio termico e di massa convettivo per flussi in regime di moto laminare e turbolento.
Lo studente ha compreso le strategie di modellizzazione della turbolenza e sa valutare criticamente i risultati di simulazioni effettuate con codici di calcolo CFD.
Lo studente ha compreso le strategie di modellizzazione della turbolenza e sa valutare criticamente i risultati di simulazioni effettuate con codici di calcolo CFD.
Prerequisiti
Lo studente dovrà far riferimento alle conoscenze già acquisite nei corsi di Fluidodinamica e di Fisica Tecnica
Metodi didattici
La didattica si svolgerà tramite lezioni frontali, ma con un'attenzione particolare al confronto e al dialogo diretto con gli studenti, che potranno, durante le lezioni, formulare proposte di approfondimento o dibattito.
All'interno del corso saranno organizzate per gli studenti frequentanti esercitazioni pratiche, aventi ad oggetto la soluzione di problemi ingegneristici nell’ambito della termofluidodinamica (per il modulo di Termofluidodinamica) e del trasporto di calore (per il modulo Trasmissione del calore), finalizzate a far conseguire agli studenti una capacità critica su tali argomenti. Il docente individuerà gli argomenti in relazione alle tematiche esposte durante il ciclo di lezioni.
Sono inoltre previste alcune sessioni dedicate all'uso di software specifici.
All'interno del corso saranno organizzate per gli studenti frequentanti esercitazioni pratiche, aventi ad oggetto la soluzione di problemi ingegneristici nell’ambito della termofluidodinamica (per il modulo di Termofluidodinamica) e del trasporto di calore (per il modulo Trasmissione del calore), finalizzate a far conseguire agli studenti una capacità critica su tali argomenti. Il docente individuerà gli argomenti in relazione alle tematiche esposte durante il ciclo di lezioni.
Sono inoltre previste alcune sessioni dedicate all'uso di software specifici.
Verifica Apprendimento
Modulo di termofluidodinamica:
L'esame prevede la preparazione di un elaborato scritto di fine corso su un argomento concordato con il docente ed una successiva prova orale. Entrambe le prove sono obbligatorie.
L’elaborato andrà consegnato al docente alcuni giorni prima della prova orale. Durante la prova orale l’elaborato verrà discusso e la sua valutazione costituirà parte (50%) della valutazione finale.
La prova orale è strutturata in tre parti, discussione dell’elaborato, prova orale su un argomento scelto dal candidato (diverso da quello sul quale è stato preparato l’elaborato scritto), prova orale su argomenti diversi a completamento. Il risultato della prova orale (considerando la valutazione dell’elaborato), produrrà il voto finale
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Modulo di modellizzazione della turbolenza.
Ci sono due possibilità descritte di seguito.
1) L'esame prevede una prova orale che verte sull'intero programma del corso e la redazione di un elaborato riguardante l'analisi dei risultati ottenuti tramite simulazione CFD per tre tipologie di flussi turbolenti. Gli output delle simulazioni e le modalità di redazione dell´elaborato sono disponibili online sulla pagina del corso per i non-frequentanti.
2) La prova orale verte su uno specifico argomento che non è stato trattato in modo esaustivo durante il corso. Una lista di argomenti verrà fornita prima della fine del corso. Lo studente è libero di approfondire l'argomento e le domande del docente si focalizzeranno sull'argomento specifico in questione.
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Per gli studenti che seguono il C.I. di Termofluidodinamica e trasmissione del calore, l’esame sui due moduli può essere svolto in appelli diversi, ed in tal caso il voto finale è costituito dalla media dei voti parziali ottenuti nei singoli moduli.
L'esame prevede la preparazione di un elaborato scritto di fine corso su un argomento concordato con il docente ed una successiva prova orale. Entrambe le prove sono obbligatorie.
L’elaborato andrà consegnato al docente alcuni giorni prima della prova orale. Durante la prova orale l’elaborato verrà discusso e la sua valutazione costituirà parte (50%) della valutazione finale.
La prova orale è strutturata in tre parti, discussione dell’elaborato, prova orale su un argomento scelto dal candidato (diverso da quello sul quale è stato preparato l’elaborato scritto), prova orale su argomenti diversi a completamento. Il risultato della prova orale (considerando la valutazione dell’elaborato), produrrà il voto finale
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Modulo di modellizzazione della turbolenza.
Ci sono due possibilità descritte di seguito.
1) L'esame prevede una prova orale che verte sull'intero programma del corso e la redazione di un elaborato riguardante l'analisi dei risultati ottenuti tramite simulazione CFD per tre tipologie di flussi turbolenti. Gli output delle simulazioni e le modalità di redazione dell´elaborato sono disponibili online sulla pagina del corso per i non-frequentanti.
2) La prova orale verte su uno specifico argomento che non è stato trattato in modo esaustivo durante il corso. Una lista di argomenti verrà fornita prima della fine del corso. Lo studente è libero di approfondire l'argomento e le domande del docente si focalizzeranno sull'argomento specifico in questione.
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Per gli studenti che seguono il C.I. di Termofluidodinamica e trasmissione del calore, l’esame sui due moduli può essere svolto in appelli diversi, ed in tal caso il voto finale è costituito dalla media dei voti parziali ottenuti nei singoli moduli.
Contenuti
Modulo di Termofluidodinamica: I meccanismi di trasporto dell’energia. Simbologia e convenzioni. Richiami di fluidodinamica: equazioni di conservazione in forma differenziale e integrale. Il trasporto di massa: equazione di conservazione della specie chimica. Equazioni costitutive: legge di Newton, postulato di Fourier, legge di Fick, analogie. Proprietà termofisiche dei materiali. Definizione del coefficiente di scambio termico convettivo. Strato limite dinamico, termico e di concentrazione. Approssimazioni di strato limite ed equazioni semplificate. Adimensionalizzazione delle equazioni e delle condizioni al contorno.L’analogia tra il trasporto di massa, di energia e di quantità di moto. Numeri dimensionali. Il coefficiente di attrito, numeri di Nusselt e di Sherwood. L’analogia di Reynolds. L’analogia di Chilton-Colburn. Cenni agli effetti della turbolenza.
Flussi esterni: lastra piana, metodo di Blasius per il regime laminare, soluzione del problema termico e di scambio di massa, coefficienti locali e medi, il caso dei metalli liquidi. Regime turbolento: lastra piana (con trattazione del regime misto), convezione esterna ad un cilindro, convezione esterna ad una sfera. Il caso dei fasci tubieri. Flussi interni: Il condotto cilindrico in regime laminare: flusso completamente sviluppato e flusso termicamente sviluppato, le condizioni a temperatura ed a flusso termico uniforme, i profili di temperatura longitudinali e radiali. Soluzione analitica del problema laminare. Il problema della regione d'ingresso (problema di Graetz). Il regime turbolento: la correlazione di Dittus Boelter. Uso delle analogie. Condotti a sezione non cilindrica. Convezione naturale: soluzione del caso laminare per lastra piana verticale. Effetto della turbolenza. Lastra piana orizzontale. Cilindro orizzontale. Canali verticali ed inclinati.
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Modulo di Modellizzazione della turbolenza
Notazione indiciale, tensori cartesiani e operatori differenziali.
Ripasso delle equazioni che governano il moto dei fluidi (converazione dellla massa, della quantità di moto e dell´energia) in forma integrale e differenziale.
Ruolo della pressione in flussi incomprimibili.
Descrizione statistica della turbolenza (medie statistiche in spazio e tempo, varianza e covarianza).
Turbolenza omogenea, localmente omogenea, cascata dell'energia e ipotesi di Kolmogorov.
Separazione delle scale di moto di un flusso turbolento e stima del costo di calcolo della simulazione DNS (Direct Numerical Simulation).
Studio della cascata dell'energia tramite analisi in numero d'onda dell'equazione di Burgers.
Ipotesi del gradiente diffusivo.
Equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds.
Modelli di turbolenza basati sugli sforzi di Reynolds.
Ipotesi di Boussinesq.
Equazione dell´energia cinetica media e dell'energia cinetica turbolenta.
Modellizzazione dell'equazione dell'energia cinetica turbolenta k.
Determinazione della viscosità turbolenta, modelli k-epsilon, k-Omega, Spalart-Allmaras.
Cenni alla modellizzazione LES (Large Eddy Simulation).
Simulazione RANS tramite software CFD e valutazione critica dei risultati per i seguenti flussi turbolenti: flusso in un canale rettangolare, getto libero assialsimmetrico, flusso su lastra piana.
Flussi esterni: lastra piana, metodo di Blasius per il regime laminare, soluzione del problema termico e di scambio di massa, coefficienti locali e medi, il caso dei metalli liquidi. Regime turbolento: lastra piana (con trattazione del regime misto), convezione esterna ad un cilindro, convezione esterna ad una sfera. Il caso dei fasci tubieri. Flussi interni: Il condotto cilindrico in regime laminare: flusso completamente sviluppato e flusso termicamente sviluppato, le condizioni a temperatura ed a flusso termico uniforme, i profili di temperatura longitudinali e radiali. Soluzione analitica del problema laminare. Il problema della regione d'ingresso (problema di Graetz). Il regime turbolento: la correlazione di Dittus Boelter. Uso delle analogie. Condotti a sezione non cilindrica. Convezione naturale: soluzione del caso laminare per lastra piana verticale. Effetto della turbolenza. Lastra piana orizzontale. Cilindro orizzontale. Canali verticali ed inclinati.
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Modulo di Modellizzazione della turbolenza
Notazione indiciale, tensori cartesiani e operatori differenziali.
Ripasso delle equazioni che governano il moto dei fluidi (converazione dellla massa, della quantità di moto e dell´energia) in forma integrale e differenziale.
Ruolo della pressione in flussi incomprimibili.
Descrizione statistica della turbolenza (medie statistiche in spazio e tempo, varianza e covarianza).
Turbolenza omogenea, localmente omogenea, cascata dell'energia e ipotesi di Kolmogorov.
Separazione delle scale di moto di un flusso turbolento e stima del costo di calcolo della simulazione DNS (Direct Numerical Simulation).
Studio della cascata dell'energia tramite analisi in numero d'onda dell'equazione di Burgers.
Ipotesi del gradiente diffusivo.
Equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds.
Modelli di turbolenza basati sugli sforzi di Reynolds.
Ipotesi di Boussinesq.
Equazione dell´energia cinetica media e dell'energia cinetica turbolenta.
Modellizzazione dell'equazione dell'energia cinetica turbolenta k.
Determinazione della viscosità turbolenta, modelli k-epsilon, k-Omega, Spalart-Allmaras.
Cenni alla modellizzazione LES (Large Eddy Simulation).
Simulazione RANS tramite software CFD e valutazione critica dei risultati per i seguenti flussi turbolenti: flusso in un canale rettangolare, getto libero assialsimmetrico, flusso su lastra piana.
Altre informazioni
Testi di riferimento:
Modulo di Scambio termico convettivo:
Fundamentals of heat and mass transfer, Incropera-De Witt, JW&Sons (cap. 6-7-8-9);
Modulo di Modellizzazione della turbolenza: Turbulent flows, S.B. Pope, Cambridge University Press.
Oltre al testo di riferimento vengono fornite le slides usate dal Docente durante il corso.
In caso di disposizioni dell’autorità
competenti in materia di contenimento e gestione dell’emergenza epidemiologica, l'insegnamento
potrebbe subire modifiche rispetto a quanto dichiarato nel syllabus per rendere il corso e gli esami in
linea con quanto disposto.
Modulo di Scambio termico convettivo:
Fundamentals of heat and mass transfer, Incropera-De Witt, JW&Sons (cap. 6-7-8-9);
Modulo di Modellizzazione della turbolenza: Turbulent flows, S.B. Pope, Cambridge University Press.
Oltre al testo di riferimento vengono fornite le slides usate dal Docente durante il corso.
In caso di disposizioni dell’autorità
competenti in materia di contenimento e gestione dell’emergenza epidemiologica, l'insegnamento
potrebbe subire modifiche rispetto a quanto dichiarato nel syllabus per rendere il corso e gli esami in
linea con quanto disposto.
Corsi
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Laurea Magistrale
2 anni
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