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Syllabus

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[W001547] - ELEMENTI DI FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE PER LA PROGETTAZIONE MECCANICAELEMENTI DI FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE PER LA PROGETTAZIONE MECCANICA
Alessandra NIGRO
Lingua di erogazione: ITALIANOLessons taught in: ITALIAN
Laurea Magistrale - [IM09] INGEGNERIA MECCANICA (Curriculum: PROGETTAZIONE MECCANICA) Master Degree (2 years) - [IM09] MECHANICAL ENGINEERING (Curriculum: PROGETTAZIONE MECCANICA)
Dipartimento: [040004] Dipartimento Ingegneria Industriale e Scienze MatematicheDepartment: [040004] Dipartimento Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Anno di corsoDegree programme year : 2 - Primo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2022-2023
Anno regolamentoAnno regolamento: 2021-2022
Obbligatorio
Crediti: 6
Ore di lezioneTeaching hours: 48
TipologiaType: C - Affine/Integrativa
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-IND/06 - FLUIDODINAMICA

LINGUA INSEGNAMENTO LANGUAGE

Italiano

Italian


PREREQUISITI PREREQUISITES

Fondamenti della fluidodinamica. In particolare, occorre conoscere sia la dinamica dei fluidi incomprimibili che la gasdinamica.

Fundamentals of fluid dynamics. In particular, it is necessary to know both the dynamics of incompressible fluids and gas dynamics.


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DEL CORSO DEVELOPMENT OF THE COURSE

• Lezioni di Teoria, 24 ore
• Esercitazioni, 24 ore

• Theory lessons, 24 hours
• Exercises, 24 hours


RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI LEARNING OUTCOMES
Conoscenze e comprensione.

L'obiettivo principale del corso è quello di fornire agli studenti le principali conoscenze pratiche, supportate da nozioni e riferimenti teorici, per la simulazione numerica di flussi di diversa natura (comprimibili e incomprimibili, stazionari e non-stazionari, laminari e turbolenti ecc.). In particolare, saranno fornite le conoscenze di base per eseguire simulazioni numeriche di flussi di interesse industriale utilizzando un software CFD (Computational Fluid Dynamics), oggigiorno ampiamente utilizzato sia nel campo scientifico che nel settore industriale. Questa conoscenza mira ad integrare ed approfondire le nozioni di base acquisite nei Corsi di Fluidodinamica ed Idraulica. In tal modo si spera di migliorare la formazione ingegneristica dello studente nel campo industriale, fornendo una chiara consapevolezza del più ampio contesto multidisciplinare dell'ingegneria.


Capacità di applicare conoscenze e comprensione.

La capacità dello studente di applicare le conoscenze fornite durante il corso e, di conseguenza, la loro corretta comprensione, saranno immediatamente verificate e valutate attraverso una serie di esercizi pratici effettuati al calcolatore. Un altro obiettivo fondamentale delle attività sopra menzionate sarà la valutazione dei risultati dell’apprendimento espressi in termini di abilità e capacità di giudizio autonomo nella risoluzione di problemi di natura pratica. Queste capacità comportano una serie di abilità professionali, quali: 1. conoscenza delle equazioni di governo dei fluidi; 2. capacità di valutare quali modelli numerici devono essere utilizzati per la corretta risoluzione del campo di moto in base alle caratteristiche fisiche del flusso; 3. valutazione critica dei risultati ottenuti e possibile messa a punto dei parametri dei modelli numerici.


Competenze trasversali.

La capacità di risolvere problemi di fluidodinamica, utilizzando metodi numerici, consentirà allo studente di acquisire molte nozioni di base comuni a un gran numero di codici commerciali e Open Source che risolvono anche problemi di diversa natura fisica (analisi strutturale, acustica, magnetoidrodinamica, ecc.). Inoltre, le esercitazioni e le attività di laboratorio aumenteranno la capacità di valutazione critica dello studente e la sua autonomia di giudizio, aspetto di fondamentale importanza per la figura professionale dell'ingegnere.


Knowledge and Understanding.

The main objective of the course is to provide to the students the main practical knowledge, supported by theoretical notions and references, for the numerical simulation of flows of different nature (compressible and incompressible, stationary and non-stationary, laminar and turbulent, etc.) . In particular, the basic knowledge will be provided to perform numerical simulations of flows of industrial interest using a CFD (Computational Fluid Dynamics) software, nowadays widely used both in the scientific field and in the industrial sector. This knowledge aims to integrate and deepen the basic notions acquired in the Fluid Dynamics and Hydraulics Courses. The final goal of the course is to enhance the student's engineering education in the industrial field by providing a clear awareness of the broader multidisciplinary context of engineering.


Capacity to apply Knowledge and Understanding.

The student's ability to apply the knowledge provided during the course and, consequently, its correct understanding, will be immediately verified and evaluated through a series of exercises. Another fundamental objective of the activities mentioned above will be the evaluation of learning outcomes expressed in terms of ability and autonomy of judgment in solving problems of a practical nature. This knowledge implies a series of professional skills, such as: 1. knowledge of governing equations of the flow; 2. ability to evaluate which numerical models must be used for the correct solution of the flow field based on its physical characteristics; 3. critical evaluation of the results obtained and possible fine-tuning of the parameters of the numerical models.


Transversal Skills.

The ability to solve fluid dynamics problems, using numerical methods, will allow the student to acquire many basic notions common to a large number of commercial and Open Source codes that also solve problems of a different physical nature (structural analysis, acoustics, magnetohydrodynamics, etc. ). In addition, the exercises and laboratory activities will increase the student's ability of critical evaluation and his autonomy of judgment, an aspect of fundamental importance for the professional figure of the engineer.



PROGRAMMA PROGRAM

Lezioni frontali (24 h):

• Introduzione alla fluidodinamica computazionale:
- Studio di un problema di fluidodinamica: l'approccio sperimentale, quello teorico e quello della CFD
- Richiami sulle equazioni di Eulero e Navier-Stokes
- Formulazione conservativa e non-conservativa delle equazioni della fluidodinamica
- Formulazione integrale delle equazioni della fluidodinamica

• Le equazioni alle derivate parziali (PDE):
- Equazioni paraboliche, iperboliche, ellittiche e a comportamento misto
- Dominio di dipendenza e di influenza con relative implicazioni sulle condizioni iniziali e al contorno
- Esempi: equazione di convezione lineare, equazione di diffusione ed equazione di Laplace
- Comportamento parabolico, iperbolico ed ellittico delle equazioni di governo dei fluidi
- La tecnica di "time marching"

• Aspetti numerici di base delle equazioni alle derivate parziali (PDE):
- Schemi temporali implicit ed espliciti
- Analisi di consistenza di uno schema numerico con esempi
- L'equazione modificata e l'ordine di accuratezza degli schemi numerici con esempi
- Analisi dell'errore numerico (errori di dissipazione e di dispersione) con esempi
- Analisi di stabilità di uno schema numerico con esempi

• La discretizzazione spaziale con il metodo ai volumi finiti (FVM):
- Principi di soluzione delle equazioni della fluidodinamica
- Tecniche di generazione delle griglie di calcolo
- Griglie strutturate e non-strutturate
- Metodo ai Volumi Finiti (FVM): cell-centred, cell-vertex
- Approssimazione degli integrali di superficie e di volume
- Trattamento dei flussi diffusivi
- Solutore Pressure based: solutori per flussi incomprimibili (SIMPLE, ed accenni su SIMPLER e SIMPLEC)

• Discretizzazione della turbolenza:
- Fondamenti
- Moto medio e fluttuazioni
- La media di Reynolds
- Equazioni del moto medio di un flusso turbolento (RANS)
- Modelli di turbolenza: modelli a 0-, 1-, 2-equazioni
- Accenni su Reynolds Stress Model (RSM), Large Eddy Simulation (LES) e Simulazione diretta della turbolenza (DNS)

Esercitazioni (24h): Alle lezioni teoriche si affiancano esercitazioni da eseguire al calcolatore, che saranno svolte utilizzando programmi commerciali e/o open source. In particolare, le esercitazioni avranno come obbiettivo finale la risoluzione di problemi di CFD di reale interesse industriale nell’ambito dell’ingegneria meccanica.

Theoretical lessons (24 h):

• Introduction to computational fluid dynamics:
- Study of a fluid dynamics problem: the experimental, theoretical and CFD approaches
- Review of the Euler and Navier-Stokes equations
- Conservative and non-conservative formulation of fluid dynamics equations
- Integral formulation of the equations of fluid dynamics

• Partial differential equations (PDEs):
- Parabolic, hyperbolic, elliptic and mixed behavior equations
- Domain of dependence and of influence with relative implications on initial and boundary conditions
- Examples: linear convection equation, diffusion equation and Laplace equation
- Parabolic, hyperbolic and elliptic behavior of the governing equations of fluids
- The "time marching" technique

• Basic numerical aspects of partial differential equations (PDE):
- Implicit and explicit temporal schemes
- Consistency analysis of a numerical scheme with examples
- The modified equation and order of accuracy of numerical schemes with examples
- Numerical error analysis (dissipation and dispersion errors) with examples
- Stability analysis of a numerical scheme with examples

• Spatial discretization: Finite Volume Method (FVM)
- Principles of solution of the equations of fluid dynamics
- Techniques for generating calculation grids
- Structured and unstructured grids
- Finite Volume Method (FVM): cell-centered, cell-vertex
- Approximation of surface and volume integrals
- Treatment of diffusive flows
- Pressure based solver: solvers for incompressible flows (SIMPLE, and hints on SIMPLER and SIMPLEC)

• Discretization of turbulence:
- Fundamentals
- Average motion and fluctuations
- The Reynolds average
- Equations of mean motion of a turbulent flow (RANS)
- Turbulence models: 0-, 1-, 2-equation models
- Hints on Reynolds Stress Model (RSM), Large Eddy Simulation (LES) and Direct Turbulence Simulation (DNS)

Exercises (24h): Exercises to be performed on the computer, which will be carried out using commercial and/or open source programs. In particular, the final aim of the exercises is to solve CFD problems of real industrial interest in the field of mechanical engineering.


MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'ESAME DEVELOPMENT OF THE EXAMINATION
Modalità di valutazione dell'apprendimento.

Al fine di valutare la capacità dello studente di definire e risolvere correttamente un problema di fluidodinamica, sia da un punto di vista teorico che “pratico”, l'esame comprende la stesura di un elaborato relativo alla risoluzione di un problema di CFD, da svolgersi singolarmente o in gruppi di al più due studenti, e una prova orale.


Criteri di valutazione dell'apprendimento.

Lo studente, tramite l’elaborato scritto che dovrà presentare 3 giorni prima dell'esame orale (72 ore lavorative) , dovrà dimostrare di saper definire correttamente un problema di CFD. Dovrà dunque definire correttamente: il modello fisico, il dominio geometrico e le condizioni al contorno, la discretizzazione spaziale ed eventualmente quella temporale, l’eventuale modellazione della turbolenza. Si valuterà inoltre se nell’elaborato si sono utilizzati gli algoritmi più appropriati per eseguire in modo efficiente e accurato l'analisi fluidodinamica. Si valuterà infine la presentazione e l’analisi dei risultati del problema di CFD assegnato. Le domande d'esame orale, che saranno rivolte ad appurare le conoscenze teoriche, permetteranno di completare la valutazione del livello di apprendimento maturato dallo studente.


Criteri di misurazione dell'apprendimento.

Viene attribuito un voto in trentesimi con eventuale lode. Il voto minimo per il superamento dell’esame è di 18 trentesimi.


Criteri di attribuzione del voto finale.

L'ammissione alla prova orale richiede un voto di almeno 16/30 nella prova scritta (elaborato in cui si richiede lo svolgimento di un problema di CFD). Il voto finale, che viene assegnato al termine della prova orale, terrà conto sia del voto dell’elaborato finale che di quello della prova orale.


Learning Evaluation Methods.

In order to evaluate the student's ability to correctly define and solve a fluid dynamics problem, both from a theoretical and a "practical" point of view, the exam includes the drafting of a report on the resolution of a CFD problem, to be carried out individually or in groups of at most two students, and an oral exam.


Learning Evaluation Criteria.

The student, in the report that he must to present 3 days before the oral exam (72 "working" hours), will have to demonstrate that he can correctly define a CFD problem. He will therefore have to correctly define: the physical model, the geometric domain and the boundary conditions, the spatial and possibly the temporal discretization, and, where appropriate, the modeling of turbulence. It will also assess whether the most appropriate algorithms were used in the report to perform the fluid dynamics analysis efficiently and accurately. Finally, the presentation and analysis of the results of the assigned CFD problem will be evaluated. The oral exam questions, which will be aimed at evaluating the theoretical knowledge, will allow to complete the assessment of the level of learning achieved by the student.


Learning Measurement Criteria.

A vote out of thirty is attributed with possible honors. The minimum mark for passing the exam is 18 out of thirty.


Final Mark Allocation Criteria.

Admission to the oral exam requires a grade of at least 16/30 in the written exam (report in which it is required to solve a CFD problem). The final grade, which is awarded at the end of the oral exam, will take into account both the grade of the report and that of the oral exam.



TESTI CONSIGLIATI RECOMMENDED READING

- J. D. Anderson, JR, “Computational Fluid Dynamics, the basic with applications”, McGraw-Hill, Inc.
- J. Blazek “Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications”, Elsevier
- H. Veersteg and W. Malalasekra, An introduction to Computational Fluid Dynamics, the basic with applications, Prentice Hall
- D.C. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries
- Slides delle lezioni caricate sul sito: https://learn.univpm.it

- J. D. Anderson, JR, “Computational Fluid Dynamics, the basic with applications”, McGraw-Hill, Inc.
- J. Blazek “Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications”, Elsevier
- H. Veersteg and W. Malalasekra, An introduction to Computational Fluid Dynamics, the basic with applications, Prentice Hall
- D.C. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries
- Slides of the lessons: https://learn.univpm.it


Scheda insegnamento erogato nell’A.A. 2022-2023
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento.
Academic year 2022-2023

 


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