29897 - FLUIDODINAMICA T

Conoscenze e abilità da conseguire

Fornire le conoscenze necessarie per esaminare, in termini operativi, vari aspetti del trasporto di fluidi degli apparati a ciò necessari. Fare acquisire familiarità con gli aspetti di base della meccanica dei fluidi. Studio e sviluppo dei principali algoritmi di calcolo numerico inerenti al corso di studio, e loro applicazione a problemi tipici dell'industria di processo compressibili e incompressibili, effettuando anche la scelta

Contenuti

Grandezze, dimensioni e unità di misura; sistemi di unità di misura scientifico e ingegneristico. Teorema di Buckingham dell'analisi dimensionale.Metodo di Kelvin per la determinazione di un set minimo di gruppi adimensionali per descrivere un fenomeno fisico. Applicazioni: uso dell'analisi dimensionale come metodologia di scale-up.

Il bilancio di quantità di moto in forma integrale: enunciato per un sistema aperto. Calcolo delle reazioni vincolari esercitate da apparati in cui scorrono fluidi in moto. Espressione del bilancio del momento della quantità di moto.

Fluidostatica: i fluidi e loro definizione, tensore degli sforzi; sforzi normali e tangenziali. La pressione. Principio di Pascal. Distribuzione di pressione in un fluido in quiete a densità costante (legge di Stevino); distribuzione di pressione (e di temperatura) in un fluido comprimibile assimilabile a un gas perfetto in un fluido in quiete nel caso isotermo e nel caso adiabatico. Gradiente termico atmosferico adiabatico e standard; condizione di stabilità atmosferica. Distibuzione di pressione e profilo del pelo libero in sistemi di riferimento non inerziali: caso del moto uniformemente accelerato e del moto angolare. Espressione per la forza di galleggiamento come risultato della distribuzione idrostatica di pressione e sua dimostrazione nel caso di un corpo sferico immerso in un fluido.

Spinta di galleggiamento: sua derivazione nel caso generale col teorema di Gauss. Equilibrio e stabilità dell'equilibrio di corpi sommersi interamente e parzialmente. Centro di galleggiamento e metacentro.

La misura della pressione: manometro a tubo a U, a tubo inclinato, manometro a due fluidi.

Calcolo della forza e del momento su superfici piane solide.

Cenni di cinematica del continuo: descrizione euleriana e lagrangiana del moto. Derivata sostanziale e sua relazione con la derivata locale. Il vettore densità di flusso di massa, il bilancio locale di materia. Bilancio locale di quantità di moto, dipendenza dello sforzo dall'orientazione e tensore degli sforzi. Legame tra sforzo e velocità di deformazione: caso del moto di un fluido newtoniano attraverso due lastre piane. Viscosità e suo significato.

Termini convettivi, generativi e diffusivi nel bilancio locale di quantità di moto. Espressione per la velocità di deformazione di un fluido e legame costitutivo tra tensore degli sforzi e velocità di deformazione. Equazione di Navier Stokes. Applicazione allo studio del moto laminare tra due lastre piane (Moto di Couette e Moto di Pouseille piano) e al calcolo degli sforzi coinvolti.

Moto di Poiseuille piano e cilindrico. Profili di velocità, sforzi. Analisi dimensionale di un problema generico di moto: fattore di Fanning e sua definizione, numero di Reynolds e sua definizione e significato. Relazione tra numero di Reynolds e fattore di Fanning nel caso di termine inerziale trascurabile

Moto in un condotto a sezione uniforme: relazione tra perdite di carico e sforzi viscosi. Analisi dimensionale per un problema generico di moto: numeri adimensionali coinvolti nel caso di moto viscoso, moto laminare, moto turbolento. Relazioni tra fattore di Fanning e Numero di Reynolds per il caso di moto turbolento in tubi lisci e scabri: correlazioni di Blasius, Colebrook, Churchill, Diagramma di Moody. Bilancio di quantità di moto per una corrente monodimensionale e sua integrazione: equazione di Bernoulli. Definizione di carico cinetico e carico totale. Definizione di perdite di carico e loro valutazione nel caso di condotto a sezione uniforme (perdite distribuite).

Calcolo delle perdite di carico concentrate e correlazioni per la loro valutazione. Linea dei carichi nel caso di condotta con moto a sifone. Determinazione della portata in reti idrauliche, calcolo della resistenza idraulica per condotte in serie e in parallelo. Strumenti di misura della portata (tubo di Venturi) e della velocità (tubo di Pitot).

Comportamento reologico dei fluidi non newtoniani: fludo di Bingham, pseudoplastico e dilatante. Profilo di velocità nel caso del moto di Poiseuille per un fluido di Bingham. Considerazioni economiche sulla scelta dei tubi, diametro nominale e pressione nominale, intervalli di velocità consigliati nelle condotte.

Problemi di flusso esterno: coefficiente di trascinamento e sua dipendenza dal numero di Reynolds, determinazione della velocità terminale di caduta, viscosimetro a sfera cadente.

Pompe centrifughe e volumetriche. Prevalenza di pompe centrifughe. Punto di funzionamento di una pompa. Analisi dimensionale e relazioni per classe di pompe simili tra prevalenza adimensionale, rendimento e portata adimensionale. Diagrammi a numero di giri fissato e diametro fissato. Pompe in serie e in parallelo. Regolazione della portata del circuito  tramite variazione del numero di giri e valvola di regolazione.

Cavitazione e NPSH di pompe centrifughe: NPSH minimo richiesto e NPSH disponibile. Scelta di una pompa centrifuga in base al rendimento, NPSH e diametro della girante.

Regolazione della portata mediante valvole: vari tipi di relazione portata/apertura, scelta della valvola più idonea a fornire un controllo lineare della portata.

Misuratori di portata: orifizi e bocchelli, e coefficienti di efflusso relativi. Scelta di una pompa per movimentare un fluido in una rete idraulica.

Considerazioni sulle pompe volumetriche: loro curva caratteristica e curva caratteristica di un sistema pompa centrifuga-pompa volumetrica in parallelo.

Correlazioni tra fattore di Fanning e numero di Reynolds modificato per un fluido non newtoniano che segue una legge di potenza: diagramma di Dodge e Metzner.

Moto dei fludi comprimibili. Velocità del suono e numero di Mach. Risoluzione del problema nel caso di un ugello in cui un gas perfetto si muove senza attrito: varie situazioni possibili. Ugello di DeLaval.

Moto stazionario adiabatico con perdite di carico. Curve di Fanno e presenza di onde d'urto e loro determinazione. Risoluzione del problema del moto attraverso l'analisi dimensionali e i diagrammi generalizzati di Lapple. Moto isotermo di un fluido reale in un condotto a sezione costante.

Esercitazioni:

Esempio di adimensionalizzazione di un problema di bilancio di materia in un serbatoio contentente fluido incomprimibile. Esempio di applicazione di considerazioni di omogeneità dimensionale al calcolo del periodo di oscillazione di un pendolo semplice, e confronto con la soluzione analitica.

Esercizio di scale-up di un miscelatore di materiale granulare.

Calcolo del salto di pressione ottenibile in un eiettore.

Calcolo della forza esercitata su una lastra piana inclinata moventesi di moto uniforme da un getto fluido stazionario.

Calcolo della forza esercitata sulla curva di un tubo da un fluido in moto.

Applicazioni del bilancio integrale di quantità di moto al calcolo di reazioni vincolari e delle forze esercitate su sistemi in moto (turbina Palton). Calcolo della forza esercitata da uno sbarramento idraulico, calcolo della forza esercitata da sistemi a propulsione (razzi, jet)

Applicazione del bilancio della qdm al calcolo dell'accelerazione di un veicolo con razzi a propulsione.

Esercizio sul calcolo della forza necessaria a tenere ancorata una boa. Esercizio sul calcolo della densità di un fluido oleoso attraverso un tubo ad U contenente acqua.

Calcolo della forza esercitata su superfici immerse inclinate

Risoluzione numerica di problemi di dimensionamento di condotte idrauliche, tiraggio di un camino.

Esercizi su reti di condotte, sul tiraggio di un camino e sulla portata in condotte con l'equazione di Bernoulli

Esercizi sul calcolo della portata in una condotta.

Esercizio sul calcolo della prevalenza e della potenza di una pompa, sulla determinazione del punto di funzionamento. Caso di due pompe poste in parallelo.

Dimensionamento di un disco di rottura.

Testi/Bibliografia

R. Darby "Chemical Engineering Fluid Mechanics", 2nd Ed., Marcel Dekker,  2001.

Fay, J.A.: Introduction to Fluid Mechanics, MIT Press, 1995.
M. C. Annesini, Fenomeni di Trasporto: fondamenti e applicazioni Edizioni Ingegneria 2000,  Roma, 2004 (Italiano)

Foraboschi F.P., Principi di ingegneria chimica, UTET 1973.

Marchi E., Rubatta A, Meccanica dei fluidi: principi e applicazioni idrauliche, UTET 1981.

  Bird, R.B.; Stewart, W.E.; Lightfoot, E.N.: Transport Phenomena, Wiley, 1960.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula alla lavagna. Esercitazioni periodiche svolte dagli studenti in aula.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova scritta e orale. Per dettagli consultare il sito http://serwebdicma.ing.unibo.it/deangelis/Syllabus%202010.pdf

Strumenti a supporto della didattica

Appunti del docente disponibili in copisteria e scaricabili dal sito http://campus.cib.unibo.it/

Link ad altre eventuali informazioni

http://serwebdicma.ing.unibo.it/deangelis/Didattica_fluido.htm

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Maria Grazia De Angelis