ITALIANO

Conoscenze di base di fluidodinamica, fisica ed analisi matematica

Lezioni di Teoria, 48 ore
Esercizi, 24 ore

L’insegnamento permette agli studenti di acquisire
conoscenze avanzate sulla fluidodinamica
computazionale (CFD). Tali conoscenze, che
spaziano dalla discretizzazione numerica delle
equazioni di governo della fluidodinamica alla
modellistica della turbolenza, andranno a completare
la formazione tecnica di base per la figura
professionale dell’ingegnere, facendo acquisire allo
studente nozioni avanzate delle problematiche
tecnico scientifiche che stanno alla base delle
applicazioni e delle innovazioni ingegneristiche. Lo
studente acquisirà, inoltre, un approfondimento a
proposito di tematiche termo-fluidodinamiche e una
chiara consapevolezza del più ampio contesto
multidisciplinare dell'ingegneria e che venga
orientato alla risoluzione di problemi progettuali
nuovi.

Al fine di affrontare tematiche progettuali avanzate,
anche di notevole complessità, e curare l'innovazione
e lo sviluppo di nuovi prodotti e di nuovi processi
tecnologici attraverso l’applicazione delle
conoscenze, lo studente conseguirà la capacità di
scegliere e applicare appropriati metodi di
modellazione per poter simulare al meglio il
comportamento di componenti e impianti al fine di
predirne e migliorarne le prestazioni con un chiaro
richiamo alla progettazione fluidodinamica di sistemi
di scambio termico e di sistemi di produzione
dell’energia. Tale capacità si estrinsecherà attraverso
una serie di abilità professionalizzanti, quali: 1. La
conoscenza delle principali tecniche numeriche di
simulazione fluidodinamica; 2. La conoscenza delle
principali tecniche di modellazione della turbolenza;
3. La capacità di utilizzare un programma di
simulazione fluidodinamica e la capacità di
analizzarne criticamente i risultati

La capacità di risolvere problemi numerici all’interno di un gruppo contribuirà a migliorare sia il grado di autonomia di giudizio in generale, sia la capacità comunicativa, sia la capacità di apprendimento in autonomia e di trarre conclusioni dello studente.

• Richiami sulla derivazione dell’equazioni di Navier-Stokes e derivazione dell’equazione di conservazione dell’energia per flussi comprimibili.
• Cenni sulla classificazione delle equazioni differenziali, con particolare rifermento al diverso comportamento delle equazioni di governo della fluidodinamica in funzione del numero di Mach.
• Discretizzazione di equazioni modello per mezzo di tecniche alle differenze finite ed integrazione nel tempo per mezzo di schemi espliciti e impliciti: consistenza, convergenza e stabilità di uno schema numerico. Ordine di accuratezza, equazione modificata ed errore di dissipazione e dispersione.
• La tecnica ai volumi finiti per griglie non strutturate in una e più dimensioni: approssimazione degli integrali di superficie e di volume, ricostruzione del gradiente e flussi convettivi di ordine superiore. Trattamento dei flussi diffusivi. Applicazione di tali metodologie alle equazioni di Navier-Stokes.
• Peculiarità della soluzione delle equazioni di Navier-Stokes incomprimibili: I metodi segregati (SIMPLE, SIMPLEC e PISO) ed accoppiati.
• I flussi numerici per il caso comprimibile: solutori del problema di Riemann esatti ed approssimati (Roe).
• Le più comuni tecniche di integrazione nel tempo delle equazioni di Navier-Stokes, accenni alla soluzione di sistemi non-lineari, lineari e al calcolo parallelo.
• Il problema della turbolenza e la modellistica ad essa associata: la media alla Reynolds ed i modelli di chiusura algebrici o a una o più equazioni differenziali. Ripercussioni della modellistica della turbolenza sull’equazione dell’energia.
• L’approccio LES (Large Eddy Simulation) e accenni ai modelli ibridi RANS/LES e alla simulazione diretta della turbolenza (DNS).

Alle lezioni teoriche si affiancano esercitazioni da eseguire al calcolatore (24 ore). In alcuni casi, al fine di favorire la comprensione da parte dello studente delle proprietà di una discretizzazione numerica, verranno impiegati dei semplici codici di calcolo sviluppati per la soluzione di equazioni modello. In altre esercitazioni verranno utilizzati programmi commerciali e/o open source per la simulazione di problemi reali di interesse fluidodinamico (aerodinamica, fluidodinamica interna, scambio termico convettivo, flusso in turbomacchine utilizzando un sistema di riferimento rotante non inerziale).

La valutazione della preparazione avviene tramite una prova orale. In questa prova allo studente sarà chiesto di illustrare una o più delle proprietà principali di una discretizzazione numerica e della modellistica della turbolenza introdotti durante il corso. Sarà anche esaminata la capacità dello studente di applicare tali conoscenze nell’utilizzo pratico di un software di fluidodinamica computazionale, lo studente dovrà infatti illustrare i risultati ottenuti nella simulazione di un problema assegnato, da svolgere anche in gruppo, durante il corso.

Viene valutata la capacità dello studente di formulare autonomamente e di impostare correttamente una simulazione fluidodinamica. La capacità di motivare le differenti scelte compiute nell’impostazione del problema sarà verificata come anche la capacità di saper analizzare ed interpretare i risultati ottenuti da una simulazione. Lo studente dovrà inoltre dimostrare di aver compreso le proprietà degli schemi numerici e le caratteristiche dei diversi approcci per la modellazione della turbolenza. La votazione massima è assegnata a studenti che dimostrino piena autonomia nell’impostare e risolvere problemi e completa padronanza delle metodologie e dei modelli matematici e fisici propri della fluidodinamica computazionale. La votazione minima è assegnata a studenti che dimostrino di riuscire a risolvere problemi che gli vengono posti e una sufficiente conoscenza delle metodologie e dei modelli matematici e fisici della fluidodinamica computazionale.

Viene attribuito un voto in trentesimi, con eventuale lode.

L’esame sarà articolato su due quesiti, ognuno di questi sarà valutabile con un punteggio variabile tra 0 e 15, il voto finale verrà attribuito sommando la valutazione delle due domande. La lode sarà attribuita agli studenti che, avendo conseguito la valutazione massima, abbiano dimostrato la completa padronanza della materia

Testi di carattere generale per la preparazione dell’esame e per l’approfondimento
Zikanov O. Essential Computational Fluid Dynamics, Wiley, 2010, 302 pages, ISBN: 0470423293
Moukalled, F., Mangani, L., Darwish, M., The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics, Springer, ISBN: 978-3-319-16874-6
Nieuwstadt F. T.M., Westerweel J., Boersma B., Turbulence, Introduction to Theory and Applications of Turbulent Flows, Springer, ISBN: 978-3-319-31599-7
Materiale didattico elettronico disponibile su piattaforma Moodle di Ateneo https://learn.univpm.it

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