CdSINGEGNERIA AEROSPAZIALE
Codice681II
CFU6
PeriodoSecondo semestre
LinguaItaliano
Il corso ha lo scopo di approfondire le conoscenze sui meccanismi di instabilità fluidodinamica che portano alla transizione alla turbolenza, sulle caratteristiche fisiche principali dei flussi turbolenti, anche attraverso esempi di flussi 'classici', e sui principali metodi e modelli usati per la simulazione numerica di flussi turbolenti.
The course is aimed at enhancing the student knowledge on the instability mechanisms leading to transition to turbulence, on the physical features of turbulent flows, also through examples of 'classical' flows, and on the main approaches and models used for the numerical simulation of turbulent flows.
Durante l'esame finale, lo studente deve dimostrare la sua conoscenza dei contenuti del corso, di sapere organizzare una risposta chiara e efficace e di essere in grado di scegliere l'approccio più adatto per la simulazione numerica di flussi turbolenti di interesse applicativo.
During the final exam, the student should demonstrate hus/her knowledge of the course contents, the ability of organizing a clear and efficient answer and to choose the best suited approach for the numerical simulation of turbulent flows.
Alla fine del corso gli studenti saranno in grado di usare in modo consapevole codici commerciali o open-source di fluidodinamica computazionale, in particolare per quanto riguarda la scelta dei modelli di turbolenza.
At the end of the course the students will be able to critically use commercial and open-source computational fluid dynamics codes, especially as far as the choice of turbulence models are concerned.
In sede di esame finale.
During the final exam.
Lo studente dovrà acqusire rigore e metodo nell'affrontare la complessità dello studio della transizione e della turbolenza e la capacità di adottare le opportune semplificazioni per applicazioni ingegneristiche.
The student should acquire the ability to tackle the complexity of turbulent flow investigation rigorously and sistematically and to adopt the adequate simplifications for engineering applications.
In sede di esame finale.
During the final exam.
Fluidodinamica. Nozioni di calcolo numerico e di metodi computazionali sono utili.
Fluid dynamics. Fundamentals of numerical methods are useful.
Le lezioni e esercitazioni sono frontali e sono tenute con supporto di lucidi proiettati Per meglio illustrare le lezioni e in alcune esercitazioni verranno utilizzati filmati, grafici, software. Il materiale didattico è distribuito sulla piattaforma e-learning http://elearn.ing.unipi.it prima delle lezioni corrispondenti. Si consiglia di stampare le dispense e portarle a lezione.
La partecipazione attiva alle lezioni è fortemente consigliata. Questa deve essere completata da studio individuale.
Lectures and exercises are delivered face to face through slide projection. To better illustrate the lectures and for some exercises, movies, graphs and softwares are used. The teaching material is made available on the e-learning platform http://elearn.ing.unipi.it before related lectures. It is advised to print the teaching material and to bring it in class.
It is strongly advised to actively participate in classes. This must be completed by individual study.
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Lezione introduttiva
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Instabilità e transizione (S. Camarri, 15-20 ore)
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Concetti generali relativi alla stabilità idrodinamica
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Illustrazione di esempi di instabilità in flussi newtoniani incomprimibili.
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Classificazione delle instabilità in instabilità autosostenute (tipo
oscillatori) e amplificatori di rumore ("noise amplifiers")
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Introduzione al metodo di analisi di stabilità globale per instabilità
autosostenute
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Esempi di analisi di stabilità globale di problemi semplificati
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Introduzione all'analisi di stabilità locale per flussi debolmente non
paralleli: analisi temporale e spaziale, esempi di valutazione delle curve di
stabilità e cenni ai metodi per la stima della transizione in strati limite.
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Caratteristiche dei flussi turbolenti.
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Cascata di energia e dissipazione. Equazione di Burgers. Significato fisico dei
termini delle equazioni di Navier-Stokes.
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Dinamica della vorticità e cascata di energia.
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Descrizione statistica.
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Turbolenza omogenea e isotropa. Modelli teorici e leggi di scala.
- Turbolenza di parete: canale turbolento, flusso turbolento in un condotto, strato limite su lastra piana, effetto di un gradiente di pressione, strutture coerenti della turbolenza di parete.
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Flussi con taglio: getto circolare, getto piano, mixing-layer piano, scia piana e assialsimmetrica.
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Simulazione numerica di flussi turbolenti: simulazione numerica diretta, equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANS), modelli di chiusura delle equazioni RANS, simulazione large eddy (LES), metodi ibridi RANS/LES.
- Introduction
- Instability and transition (S. Camarri, 15-20 hours): general concepts of hydrodynamic instability, examples of instability in inccompressible Newtonian flows, calssification of self-sustained instabilities (oscillators) and of noise amplifiers, examples of global stability analysis for simplified problems, introduction to local stability analysis for weakly non-parallel flows (time and space analysis, examples of use of stability curves, fundamentals of boundary-layer transition)
- Main features of turbulent flows
- Energy cascade. Burgers equations. Physical meaning of the different terms of the Navier-Stokes equations.
- Vorticity dynamics and energy cascade.
- Statistical description.
- Homogeneous and isotropic turbulence. Theoretical models and scale laws.
- Wall turbulence: turbulent channel flow, pipe flow, zero presure gradient boundary layer, effects of pressure gradient on boundary layers, near wall turbulent coherent structures.
- Shear flows: round jet, plane jet, mixing layer, plane and axi-symmetric wake.
- Numerical simulation of turbulent flows: direct numerical simulation, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS), closure models of RANS equations, large eddy simulation (LES), hybrid RANS/LES methods.
Materiale didattico: copie di lucidi resi disponibili su e-learning (elearn.ing.unipi.it) prima della lezione da integrare con appunti presi a lezione. Altro materiale didattico anche disponibile su e-learning.
Testi consigliati (approfondimenti):
- S.B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press, 2000.
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P.A. Durbin, B.A Pettersson Reif, Statistical Theory and Modeling for Turbulent Flows, Wiley, 2001.
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D.C. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries, 2004.
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P. Sagaut, Large Eddy Simulation for Incompressible Flows, Springer, 2001.
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P. Sagaut, S. Deck and M. Terracol, Multiscale and Multiresolution Approaches in Turbulence, Imperial College Press, 2013.
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P.J. Schmid and D.S. Henningson, Stability and Transition in Shear Flows, Applied Mathematical Sciences, Springer, 2001.
Slide copies furnished by the teacher in electronic format on the e-learning platform (http://elearn.ing.unipi.it) before classes, to be integrated with notes taken during classes. Other relevant material also available on the e-learning platform.
Supplementary recommended reading:
- S.B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press, 2000.
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P.A. Durbin, B.A Pettersson Reif, Statistical Theory and Modeling for Turbulent Flows, Wiley, 2001.
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D.C. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries, 2004.
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P. Sagaut, Large Eddy Simulation for Incompressible Flows, Springer, 2001.
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P. Sagaut, S. Deck and M. Terracol, Multiscale and Multiresolution Approaches in Turbulence, Imperial College Press, 2013.
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P.J. Schmid and D.S. Henningson, Stability and Transition in Shear Flows, Applied Mathematical Sciences, Springer, 2001.
Si consiglia vivamente di seguire le lezioni e di studiare la materia durante il semestre. Per chi fosse impossibilitato a seguire attivamente il Corso, si consiglia di reperire il materiale fornito su e-learnig, in maniera tale da preparare correttamente l'esame. I testi consigliati possono fornire alcune utili integrazioni nella preparazione dell'esame finale.
It is strongly advised to actively participate in classes and to study the course contents during the semester. Students who can not attend classes are advised to use the teaching material made available on the e-learning platform. The recommended books may give useful integration of the teaching material for the preparation of the final exam.
Esame orale (3 domande sulle tre parti principali del corso, instabilità, generalità sui flussi turbolenti, metodi e modelli per la simulazione numerica di flussi turbolenti, durata 2-4 ore).
Oral exam (3 questions concerning the main parts of the course, i.e. instability, generalities on turbulent flows, models for the numerical simulation of turbulent flows).
I registri delle lezioni sono disponibili sul sito di Ateneo Unimap, al seguente indirizzo:
http://unimap.unipi.it/cercapersone/dettaglio.php?ri=5457&template=dett_didattica.tpl
Ricevimento: Giovedì mattina – DICI, sede Ingegneria Aerospaziale, Via G. Caruso, 8 – meglio inviare e-mail prima per conferma o eventuale altro appuntamento
Office hours: thursday morning - DICI, sede Ingegneria Aerospaziale, Via G. Caruso, 8 – it is advised to send e-mail before to confirm or to possibly fix another appointment