ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| FLUID DYNAMICS OF PROPULSION SYSTEMS II | ING-IND/07 | LEZIONI | 60 |
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Coprire i principali argomenti più avanzati delle discipline termofluidodinamiche necessari per comprendere il funzionamento dei sistemi di propulsione chimici a razzo oggetto del successivo corso di Rocket Propulsion e affrontare i problemi principali della loro concezione, analisi, progettazione, integrazione e uso.
Covering the main more advanced topics of thermal-fluid disciplines necessary for the students to better understand the operation of chemical rocket propulsion systems, which are the subject of the subsequent Rocket Propulsion course, and tackle the main problems of their conception, analysis, design, integration and use.
Esame dello studente consistente nella illustrazione, discussione ed applicazione degli argomenti trattati nelle lezioni.
L'esame ha lo scopo di verificare il grado di comprensione degli argomenti del corso e la capacità di utilizzarlo per sviluppare soluzioni originali.
Student examination, consisting in the illustration, discussion and application of the topics dealt with in the lectures.
The examination is intended to verify the degree of understanding of the course topics and the ability to use it to develop original solutions.
Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di:
At the end of the course the student must be able to:
Esame dello studente, consistente nella soluzione (scritta o sulla lavagna) di uno o più problemi relativi al programma del corso. L'uso del materiale distribuito dal docente durante il corso è consentito, salvo diversa indicazione al momento dell'assegnazione del problema.
Student examination consisting in the solution (either written or on the blackboard) of one or more problems concerning the course program. The use of the material distributed by the instructor during the course is permitted, unless otherwise indicated at the assignement of the problem.
Lo studente deve dimostrare di saper lavorare in collaborazione e di comportarsi lealmente e rispettosamente nei confronti del docente, del personale universitario, dei suoi colleghi ed in generale dell'Università nel suo complesso.
The student must demonstrate that he/she is able to work collaboratively and to behave loyally and respectfully towards his/her teacher, the university staff, his/her colleagues and in general the University as a whole.
Interazione diretta con lo studente durante le lezioni, le esercitazioni e gli esami.
Direct interaction with the student during lessons, recitations and exams.
Tutti i contenuti di:
Più in generale i fondamenti di:
Scienze Termofluidodinamiche:
Fisica e Meccanica:
Matematica applicata:
Tecnologie di produzione
Propulsione aeronautica:
All the topics of:
All the topics of the three-year degree courses in aerospace engineering and in particular those of the courses of Applied Thermodynamics, Physics II and Electronics of the second year, Fluid Dynamics and Motors for Aircraft of the third year.
More generally, the fundamentals of:
Thermal-Fluid Sciences:
Physics and Mechanics:
Applied Mathematics:
Manufacturing Technologies
Aircraft Propulsion:
Funzioni speciali.Equazioni Differenziali Ordinarie (EDO) quasi-lineari di primo e secondo ordine e loro soluzione, integrali impropri. Le funzioni Gamma, Bessel e Legendre. Problemi ai Valori al Contorno (PVC) omogenei di Sturn-Liouville del 2° ordine: autovettori, autofunzioni e ortogonalità. PVC di Sturn-Liouville non omogenei.
Acustica.Equazione delle onde. Intensità e potenza acustiche. Onde armoniche planari e sferiche. Monopoli, dipoli e quadrupoli. Generazione/attenuazione acustica da sorgenti, forze e rilascio di calore distribuiti. Interazioni onda-superficie. Onde stazionarie. Guide d'onda. Dissipatori acustici.
Idrodinamica. Flussi idrodinamici quasi-1D in condotti: velocità del suono, flussi costanti, oscillazioni acustiche, colpi d'ariete.
Trasferimento di calore. Conduzione: equazione del calore, reti termiche stazionarie, problemi stazionari 1D e quasi-1D; conduzione 1D non stazionaria, ablazione. Convezione: meccanismi, traspirazione e raffreddamento ad iniezione da fessure e fori. Radiazione: generalità, radiazione termica, proprietà radianti dei materiali, reti radiative in cavità con/senza mezzo di trasmissione, radiazione di fiamme.
Flussi viscosi laminari. Flussi sviluppati in tubi, flussi di taglio, flussi intorno a cilindri e sfere. Flussi incomprimibili quasi paralleli: strati limite cinematici e termici, parametri ed equazioni integrali, strati limite planari e assialsimmetrici; getti; scie e flussi di taglio. Flussi comprimibili quasi paralleli: strati limite planari e assialsimmetrici, flussi di ristagno, teoria newtoniana dei flussi ad alta velocità.
Stabilità fluidodinamica e transizione turbolenta. Effetti dinamici non lineari, stabilità lineare di flussi paralleli, equazioni di Reynolds e Orr-Sommerfeld. Transizione turbolenta: sviluppo, dipendenza parametrica e previsione.
Flussi turbolenti. Descrizione del flusso turbolento incomprimibile, equazioni e analisi; energia cinetica turbolenta. Strati limite planari e assialsimmetrici. Flussi in condotti; getti e scie liberi. Modelli di turbolenza. Strati limite comprimibili.
Elementi di combustione e flussi chimicamente reagenti. Trasferimento di massa. Equazioni di conservazione per flussi chimicamente reagenti. Fiamme laminari, premiscelate e diffusive. Evaporazione e combustione di goccie. Fiamme turbolente.
Flussi bifase e cavitazione. Conservazione e equazioni costitutive. Flussi con polveri e con nebbia. Cambiamenti di fase, ebollizione e cavitazione, nucleazione e dinamica delle bolle. Forme di cavitazione e parametri di similitudine. Flusso liquido/gas, liquido/gas/vapore e liquido/vapore. Effetti termici. Simulazione di flussi cavitanti.
Special Functions. 1st and 2nd order quasi-linear ODEs and their solution, improper integrals. The Gamma, Bessel and Legendre functions. 2nd order homogeneous Sturn-Liouville BVPs: eigenvectors, eigenfunctions and orthogonality. Nonhomogeneous Sturn-Liouville BVPs.
Acoustics. Wave equation. Acoustic intensity and power. Planar and spherical harmonic waves. Monopoles, dipoles, and quadrupoles. Acoustic generation/attenuation by distributed sources, forces and heat release. Wave-surface interactions. Standing waves. Waveguides. Acoustic dampers.
Hydrodynamics. Quasi-1D hydrodynamic flows in ducts: speed of sound, steady flows, acoustic fluctuations, water hammer.
Heat Transfer. Conduction: heat equation, steady thermal networks, 1D and quasi-1D steady problems; unsteady 1D conduction, ablation. Convection: mechanisms, transpiration and injection cooling from slits and holes. Radiation: generalities, thermal radiation, radiant properties of materials, radiative networks in cavities with/without participating medium, radiation of flames.
Laminar Viscous Flows. Developed flows in pipes, shear flows, flows around cylinders and spheres. Quasi-parallel incompressible flows: kinematic and thermal boundary layers, parameters and integral equations, planar and axisymmetric boundary layers; jets; wakes and shear layers. Quasi-parallel compressible flows: planar and axisymmetric boundary layers, stagnation flows, Newtonian theory of high speed flows.
Fluid Dynamic Stability and Turbulent Transition. Nonlinear dynamic effects, linear stability of parallel flows, Reynolds and Orr-Sommerfeld equations. Turbulent transition: development, parametric dependence and prediction.
Turbulent Flows. Incompressible turbulent flow description, equations and analysis; turbulent kinetic energy. Planar and axisymmetric boundary layers. Duct flows, free jets and wakes. Turbulence models. Compressible boundary layers.
Chemically Reacting Flows and Elements of Combustion. Transfer of mass. Conservation equations for reacting flows. Laminar, premixed and diffusive flames. Droplet evaporation and combustion. Turbulent flames.
Two-Phase Flows and Cavitation. Conservation and constitutive equations. Dusty and misty flows. Phase changes, boiling and cavitation, nucleation and bubble dynamics. Cavitation forms and similarity parameters. Liquid/gas, liquid/gas/vapor and liquid/vapor flows. Thermal effects. Simulation of cavitating flows.
Riferimenti
Dispense del docente.
I riferimenti bibliografici consigliati per l'approfondimento dei principali argomenti trattati nel corso sono:
Anderson J. D. Jr., 1990, “Modern Compressible Flow with Historical Perspective”, McGraw-Hill (dinamica del gas 1D, onde lineari e non lineari).
Brennen C. E., 1995, “Cavitation and Bubble Dynamics”, Oxford University Press (flussi bifase, idrodinamica 1D, cavitazione).
Callen H.B., 1985, “Thermodynamics and an Introduction to Thermostatitstics”, John Wiley & Sons (termodinamica avanzata)
Currie I. G., 1993, “Fundamental Mechanics of Fluids”, McGraw-Hill (equazioni fluidodinamiche, flussi ideali)
Eckert & Drake, 1972, “Analysis of Heat and Mass Transfer”, MacGraw Hill Inc. (conduzione del calore, convezione e irraggiamento).
Turns, S.R., 1996, “An Introduction to Combustion”, McGraw Hill (termochimica, cinetica chimica, flussi che reagiscono chimicamente ed elementi di combustione)
Vincenti W.G. & Kruger C.H., 1986, “Physical Gas Dynamics”, Krieger Publ. Co., Malabar, FL, USA (cinetica dei gas).
White F.E., 1974, "Viscous Fluid Flow", McGraw Hill (flussi viscosi laminari, stabilità fluidodinamica e transizione turbolenta, flussi turbolenti).
References
Instructor hand-outs.
The bibliographic references recommended for the further study of the main topics covered in the course are:
Anderson J. D. Jr., 1990, “Modern Compressible Flow with Historical Perspective”, McGraw-Hill (1D gas dynamics, linear and nonlinear waves).
Brennen C. E., 1995, “Cavitation and Bubble Dynamics”, Oxford University Press, (two-phase flows, 1D hydrodynamics, cavitation).
Callen H.B., 1985, “Thermodynamics and an Introduction to Thermostatitstics”, John Wiley & Sons (advanced thermodynamics)
Currie I. G., 1993, “Fundamental Mechanics of Fluids”, McGraw-Hill, (fluid dynamic equations, ideal flows)
Eckert & Drake, 1972, “Analysis of Heat and Mass Transfer”, MacGraw Hill Inc. (heat conduction, convection and radiation).
Turns, S.R., 1996, “An Introduction to Combustion”, McGraw Hill, (termochemistry, chemical kinetics, chemically reacting flows and elements of combustion)
Vincenti W.G. & Kruger C.H., 1986, “Physical Gas Dynamics”, Krieger Publ. Co., Malabar, FL, USA (gas kinetics).
White F.E., 1974, “Viscous Fluid Flow”, McGraw Hill (laminar viscous flows, fluid dynamic stability and turbulent transition, turbulent flows)
Si consiglia di integrare lo studio con lo svolgimento degli esercizi proposti, reperibili su e-learn.
I contenuti del corso sono ogni anno in parte rielaborati. Si consiglia di tenersi aggiornati sulle ultime versioni dei documenti a supporto delle lezioni tramite e-learn e consultando il docente.
It is advisable to integrate the study with the performance of the proposed exercises, available on e-learn.
The contents of the course are partly re-elaborated each year. It is advisable to keep up-to-date on the latest versions of the documents supporting the lessons through e-learn and consulting the instructor.
Esame dello studente consistente in:
L'uso del materiale distribuito dal docente durante il corso è consentito, salvo diversa indicazione al momento dell'assegnazione del problema.
L'esame ha lo scopo di verificare il grado di comprensione degli argomenti del corso e la capacità di utilizzarlo per sviluppare soluzioni originali.
Student examination consisting of:
The use of the material distributed by the teacher during the course is allowed, unless otherwise specified when assigning the problem.
The exam aims to verify the degree of understanding of the course topics and the ability to use it to develop original solutions.
