ECTS - University of Pisa
Il corso fornisce allo studente le conoscenze di base e le metodologie pratiche per lo studio termofluidodinamico degli impianti termici di potenza e di processo. Vengono illustrati il trasferimento di massa, energia e quantità di moto nei fluidi termovettori monofase. In particolare, vengono esposti i principali metodi di analisi del moto dei fluidi e i più noti modelli dello scambio termico per convezione, utilizzando i principali concetti della meccanica dei continui. Gli studenti apprenderanno conoscenze approfondite delle macchine a fluido e dei sistemi energetici innovativi e più in dettaglio i principi di progettazione delle principali macchine a fluido, i flussi comprimibili, le proprietà dei profili aerodinamici, le macchine a fluido assiali e radiali, le macchine volumetriche.
The student who successfully completes the course will have the ability to understand the main concepts of continuum mechanics and appy them to solve problems in motion of incompressible newtonian fluids. He will be able to demonstrate a solid and operational knowledge of principles of thermofluiddynamics in the form of balance equations, and of the basic mechanisms of heat convection. Students are expected to acquire a deeper knowledge of fluid machinery and advanced energy systems and more in detail the principles of fluid machinery design, the compressble fluid flows, the properties of aerodynamic proflies, axial and radial turbomachinery, volumetric machines.
La conscenza verrà verificata dalla dimostrazione della capacità di discutere gli argomenti principali del corso con una terminologia appropriata. Durante l'esame orale lo studente dovrà dimostrare la sua conoscenza degli argomenti del corso e di rispondere alle domande con approfondimento e con capactà di esprimere i concetti con proprietà di linguaggio. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di mettere in pratica e di eseguire con spirito critico le attività illlustrate sotto la guida del professore durante le lezioni. Nel rispondere alle domande fatte dal docente, lo studente dovrà dimostrare la capacità di affrontare un problema e di organizzare un'esposizione efficade dell'argomento.
Metodo:
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. The student must demonstrate the ability to solve, with critical awareness, design and operation problems of fluid-dynamics thermal systems analogous to the ones introduced in classes.
Methods:
Al termine del corso l’allievo deve conoscere i principali fenomeni che sono alla base del trasporto di calore e del moto dei fluidi monofase e bifase negli impianti termici e nei processi di conversione energetica per essere in grado di:
Lo studente deve inoltre mostrare di aver acquisito la capacità di calcolare le dimensioni principali delle turbomacchine e delle macchine volumetriche, effettuare bilanci energetici e di lavoro, saper dimensionare una semplice macchina a fluido per date specifiche di progetto.
At the end of the course the student must know the main phenomena that underlie the transport of heat and the motion of single and two-phase fluids in thermal plants and in energy conversion processes to be able to:
The student must also show that he has acquired the ability to calculate the main dimensions of turbomachinery and volumetric machines, make energy and work budgets, know how to size a wing profile based on the required lift or prevalence.
Le capacità acquisite saranno verificate e valutate in sede di esame attraverso domande orali e l'eventuale risoluzione di un semplice problema.
The skills acquired will be verified and evaluated during the examination through oral questions and the possible resolution of a simple problem.
Lo studente dovrà partecipare attivamente alle lezioni. Lo studente dovrà responsabilmente concludere le esercitazioni assegnate durante il corso. Egli dovrà essere capace di analizzare i problemi in autonomia e di proporre soluzioni.
The student must actively participate in the lessons. The student must responsibly conclude the exercises assigned during the course. He must be able to analyze problems independently and propose solutions.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di partecipare attivamente alle lezioni (chiedendo dettagli, individuando eventuali errori nei materiali didattici, commentando le soluzioni proposte dal docente). Inoltre, durante l'esame orale, sarà valutata la sua capacità di proporre soluzioni ingegneristicamente valide per la realizzazione degli apparati oggetto del corso.
The student will be assessed on his ability to actively participate in the lessons (asking for details, identifying any errors in the teaching materials, commenting on the solutions proposed by the teacher). Moreover, during the oral exam, it will be evaluated its ability to propose engineering solutions valid for the realization of the equipment object of the course.
Dai corsi di Matematica:
Derivate totali e parziali; operatori differenziali; integrali; equazioni differenziali.
Dai corsi di Fisica
Unità di misura e sistemi di misura. Concetti di forza, lavoro, energia, potenza; conservazione dell’energia meccanica.
Dal corso di Fisica Tecnica
Principali variabili di stato termodinamiche; principi della termodinamica; bilanci energetici a parametri concentrati per sistemi aperti e chiusi; nozioni di trasmissione del calore.
From the Mathematics courses:
Total and partial derivatives; differential operators; integrals; differential equations.
From the Physics courses:
Units of measurement and measurement systems. Concepts of strength, work, energy, power; conservation of mechanical energy.
From the Technical Physics course:
Main thermodynamic status variables; principles of thermodynamics; energy balance with concentrated parameters for open and closed systems; concepts of heat transmission.
Il corso è composto di lezioni, in cui vengono esposti gli argomenti teorici; ad ogni nuovo concetto introdotto segue immediatamente un’applicazione dello stesso nelle esercitazioni, in cui vengono affrontati e risolti numericamente problemi di interesse pratico. Le esercitazioni sono pertanto strettamente integrate con le lezioni ed indistinguibili da esse. I docenti colloquiano continuamente con gli studenti nei ricevimenti durante e dopo la fine del corso, ed anche tramite posta elettronica. Il materiale didattico ed informatico non soggetto a copyright viene reso disponibile su Internet nel sito del docente, assieme ad alcune dispense redatte dal docente stesso su temi particolari. Per quanto possibile, vengono eseguite applicazioni numeriche nelle aule informatiche del centro di calcolo della Facoltà.
Lezioni frontali
Attività di apprendimento:
Frequenza: consigliata
The course is composed of lessons, in which the theoretical topics are exposed; each new concept introduced immediately follows an application of the same in the exercises, in which problems of practical interest are addressed and solved numerically. The exercises are therefore closely integrated with the lessons and indistinguishable from them. The teacher continuously talks with the students during the receptions during and after the end of the course, and also by e-mail. The didactic and informatic material not subject to copyright is made available on the Internet on the teacher's website, together with some handouts written by the teacher himself on particular topics. As far as possible, numerical applications are performed in the computer rooms of the Faculty's computer center.
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Modulo di termofluidodinamica applicata
0 – Introduzione e richiami (10 h)
Richiami sui principali strumenti matematici utilizzati nel corso: operatori differenziali, teoremi di Gauss, Stokes. Sistemi di riferimento, derivate sostanziali e totali. I mezzi continui: richiami sulle principali proprietà termofisiche dei fluidi.
1 – Le equazioni della termofluidodinamica. (20 h)
Equazioni di conservazione di massa, quantità di moto ed energia. Cenni alla statica dei fluidi. Equazioni di Navier-Stokes e di Eulero. Cenni ai fenomeni di turbolenza e alla loro trattazione. Equazione di Bernoulli per fluidi ideali e reali. Gruppi adimensionali e analisi dimensionale.
2 – Moto esterno dei fluidi monofase (12 h)
Moto di fluidi ideali; moto irrotazionale. Moto di fluidi viscosi: equazioni dello strato limite. Flusso attorno ai corpi immersi: cenno ai fenomeni di resistenza e portanza. Coefficiente di scambio termico convettivo. Analogie tra trasporto di quantità di moto e di calore. Scambio termico nel deflusso esterno laminare e turbolento.
3 –Moto interno dei fluidi monofase (12 h)
Moto di fluidi viscosi in condotti: profilo di velocità e fattore d'attrito, nel moto laminare e turbolento; cadute di pressione distribuite. Scambio termico nel moto laminare e turbolento in condotti: cenno ai modelli teorici, modelli semiempirici.
4 –Cenni alla convezione naturale (4 h)
Modulo di Progetto di Macchine
5 -Principi di fluidodinamica (8 h)
Fflussi comprimibili e incomprimibili, efflussi in ugelli e palette, aerodinamica dei profili alari, progetto adimensionale delle macchine
6 -Turbomacchine (24 h)
Compressori e turbine assiali e radiali, triangoli delle velocità, forma dei palettamenti, soluzioni costruttive, esempi di calcolo di semplici turbomacchine, cenni al progetto 3d delle pale
7 -Macchine volumetriche (16 h)
Compressori e espansori volumetrici: principi di progetto e funzionamento, ciclo limite, applicazioni ai fluido organici
8 -Esempi di calcolo fluidodinamico assistito al calcolatore (10 h)
Short overview of needed mathematical concepts. Balance equetions of mass, momentum, energy (total energy, internal energy, enthalpy): lumped and distributed parameter formulation, integral and local formulation. Some highlights of turbulence. Bernoulli equation in varoius forms. Dimensional analysis. Irrotational motions. Viscous fluid motions and boundary layer equations. Viscous flow around immersed bodies: drag and lift. Wall shear stress and convective heat transfer coefficient, Reynolds-Colburn analogy. Convective heat transfer in laminar and turbulent external motion. Viscous flow in pipes, velocity profiles in laminar and turbulent motions, distributed and singular pressure losses, convective heat transfer in pipes.
Testi di riferimento:
Altri testi utili per approfondimenti
Reference texts:
Other useful texts for further information
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L'esame consiste in una prova orale, incentrata prevalentemente sulla risoluzione di problemi di progetto o di verifica nell’ambito delle competenze sopra indicate.
La valutazione dell’esame tiene conto:
Per quanto riguarda il modulo di Progetto di Macchine a Fluido, l'esame è orale e consta usualmente di tre domande a campione sul programma del modulo. La prima domanda usualmente riguarda un semplice calcolo di prima approssimazione di una macchina fra quelle trattate durante il corso e richiede quindi che lo studente venga all'esame munito di macchina calcolatrice. Si richiede che lo studente abbia chiari i concetti di base sui quali impostare il dimensionamento di una macchina e che sia in grado di effettuare le conversioni tra le unità di misura più utilizzate nel campo. Le altre due domande usualmente vertono sulla verifica delle conoscenze teoriche degli argomenti proposti durante il corso.
The exam consists of an oral test, mainly focused on the resolution of project or verification problems in the areas of the above mentioned competences.
The assessment of the exam takes into account:
