93749 - APPLIED AERODYNAMICS

Conoscenze e abilità da conseguire

The student will be able to apply the fundamental concepts of the physics of viscous flows in order to assess the flow behaviour around aerodynamic and bluff bodies, to estimate the aerodynamic loads, to propose flow control methods and to be capable to perform an aerodynamic conceptual design.

Contenuti

Parte 1: Teoria e modelli matematici

- Introduzione: definizioni di fluidi e proprietà di flusso; L'ipotesi del continuo; La particella fluida e le sue proprietà;

- Cinematica del flusso: definizioni di linee di corrente, linee di fumo e vortex line. Stramtube e Vortextube.

- Dinamica dei fluidi: forze agenti su un elemento fluido; Formulazione delle Equazioni di Navier-Stokes; Equazione dell'energia; Condizioni iniziali e al contorno;

- Origine e dinamica della Vorticità. Equazione della vorticità. Strato limite e teoria dello strato limite; L’equazione di Prandtl. Spessore e scaling dello strato limite; Separazione e Riattacco;

- Teoria del flusso potenziale: equazione di Laplace. Il teorema di Bernoulli. Soluzioni delle equazioni di Laplace (lamina piana, cilindro, profilo alare); Procedura iterativa;

- Metodi integrali per problemi di strato limite: equazione integrale di Von Karman e metodo di Pohlhausen. Principali risultati e limiti del metodo.

- Interpretazione energetica del Drag. Energia nella scia e piano di Trefftz. Applicazione ai casi stazionari e accelerati. Instabilità della scia; Instabilità assoluta e convettiva; Perdita di vortici: la scia di von Kármán;

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Parte 2: Aerodinamica applicata

- Aerodinamica del corpo tozzo: Definizione di corpo tozzo. Corpi 2D vs 3D. Modellazione della scia e procedura iterativa per corpi tozzi; Esercizio sul flusso potenziale applicato ai corpi tozzi. Stima dell'attrito, analogia con la lastra piana;

- Vortice Rankine: influenza della concentrazione, dell'intensità e della distanza tra i vortici. Applicazione al coefficiente di resistenza di un cilindro circolare. Esempio: trascinamento di un cilindro circolare e quadrato. Influenza del numero di Reynolds, della rugosità, dell'arrotondamento degli angoli, ecc.;

- Tecniche di controllo attivo e passivo del flusso per corpi 2D e 3D: il “boat tailing”; Corpi tozzi 3D; Il corpo Morel; Comportamento del CD e topologia del flusso; Tecniche di controllo attivo e passivo del flusso per corpi 3D; Effetti di interferenza.

-Aerodinamica del veicolo: Il ruolo dell'aerodinamica nella progettazione di un veicolo terrestre. Il design aerodinamico: tipologie di approcci. Sfondo storico. Applicazione dei concetti base dell'aerodinamica dei corpi tozzi ai veicoli. Ottimizzazione, boat-tailing, base al vivo, angoli posteriori. Metodologie per il controllo dei carichi aerodinamici su veicoli terrestri. Metodi numerici e sperimentali per la valutazione dei carichi aerodinamici. Aerodinamica dei veicoli commerciali. Aerodinamica dei veicoli da corsa. Sfondo storico. Strumenti per la generazione di carico aerodinamico in un veicolo da corsa. Il design aerodinamico di un veicolo da corsa.

-Aerodinamica Industriale: Considerazioni introduttive. Il buffeting, il galloping, il vortex shedding. Risposta di un sistema al buffeting. Funzioni di correlazione e lunghezze di correlazione. Risposta ad un generico spettro di forze. Metodi per ridurre la risposta al buffeting. Al galloping. Velocità critica di galopping Il fenomeno del Vortex shedding e le forze fluttuanti associate. Il fenomeno del lock-in. Risposta al distacco dei vortici. Metodi per controllare la risposta al distacco dei vortici. Forza dovuta all'accelerazione. La massa aggiunta. Valutazione della massa aggiunta con metodologie di flusso potenziale. Espressione generale dell'energia cinetica e della massa aggiunta in 3D. Forza di Froude-Krylov. Note sul flutter.

- Aerodinamica del rotore di elicottero: Introduzione. Aerodinamica del rotore. Equazioni del moto per l'Hovering. Velocità indotta nel disco. Distribuzione della pressione lungo il tubo del flusso. Coefficienti di spinta e potenza. Confronto dei risultati teorici con le misurazioni sperimentali. Effetti del flusso non ideale. Perdite legate ai vortici delle estremità alari. Equilibrio nelle condizioni di volo in salita e discesa. Regimi diversi nella fase di discesa. Autorotazione: Esercizio. Teoria della quantità di moto nel volo in avanti.

-Aerodinamica delle turbine eoliche. Osservazioni introduttive. Aspetti storici. Potenza disponibile. La teoria del disco attuatore. Il limite di Betz. Modello di elemento pala per turbine eoliche. La "Blade-element theory”. Effetto del numero di pale. Effetti viscosi. Perdite di estremità. Effetto di stallo. Profili alari per turbine eoliche. Cenni sulla vorticità della scia.

-Aerodinamica delle barche a vela. Osservazioni introduttive. Aspetti storici. Definizioni di base. Forze aerodinamiche e idrodinamiche nelle imbarcazioni a vela. Problemi di progettazione. Analisi di performance.

Testi/Bibliografia

Elements of Fluid Dynamics – G. Buresti – Imperial College Press - ISBN-13 978-1848168893

Road Vehicle Aerodynamic Design: An Introduction - Mechaero Publishing; ISBN-13: 978-0954073404

Principles of Helicopter Aerodynamics - J.G. Leishman - Cambridge University Press- ISBN-13: 978-1107013353

Appunti del docente saranno resi disponibili su Virtuale durante il corso. 

RECOMMENDED READING 

Road Vehicle Aerodynamic Design: An Introduction - Mechaero Publishing; ISBN-13: 978-0954073404

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni frontali tenute dal docente. Durante il corso saranno organizzati corsi integrativi o seminari tenuti da personale altamente qualificato e riguardanti aspetti applicativi dell'aerodinamica in campo aeronautico e industriale. Gli argomenti dei seminari svolti andranno a fare parte integrante del programma e potranno essere oggetto di verifica in sede di esame.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica avverrà tramite un'unica seduta di esame durante la quale sarà assegnato uno o più esercizi e/o domande teoriche che il candidato potrà sviluppare in forma scritta. La correzione del testo scritto avverrà quando il candidato riterrà di aver concluso e fornirà gli spunti per la verifica orale.

Lo studente dovrà dimostrare una sufficiente padronanza delle equazioni e delle tecniche presentate a lezione e di essere in grado di operare una sintesi delle conoscenze maturate mettendo in collegamento la teoria e le soluzioni ingegneristiche discusse a lezione. 

L'esame verrà valutato principalmente secondo i seguenti criteri:

- Conoscenza dei singoli contenuti del corso;

- Capacità di effettuare collegamenti tra aspetti teorici e soluzioni ingegneristiche;

- Chiarezza espositiva e capacità di sintesi;

 

 

Strumenti a supporto della didattica

Saranno utilizzati lavagna, proiezioni di slides da computer, materiale multimediale.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Gabriele Bellani

Consulta il sito web di Guglielmo Minelli