CdSINGEGNERIA AEROSPAZIALE
Codice752II
CFU6
PeriodoPrimo semestre
LinguaInglese
| Moduli | Settore/i | Tipo | Ore | Docente/i | |
| FLUID DYNAMICS OF PROPULSION SYSTEMS I | ING-IND/07 | LEZIONI | 60 |
|
I principali obiettivi del corso sono approfondire le nozioni fondamentali della termodinamica e della fluidodinamica necessari agli studenti per comprendere il funzionamento dei sistemi propulsivi a razzo basati su propellanti chimici e affrontarne i principali problemi in merito alla loro progettazione concettuale, analisi, progettazione di dettaglio, integrazione ed uso.
The main objectives of the course are covering the fundamentals of thermodynamics and fluid dynamics necessary for the students to understand the operation of chemical rocket propulsion systems and tackle the main problems of their conception, analysis, design, integration and use.
Le conoscenze acquisite dagli studenti verranno valutate attraverso un colloquio orale. In particolare, il livello di preparazione degli studenti verrà vagliato attraverso domande e rischiesta di esposizione riguardanti gli argomenti coperti dal corso.
Acquired knowledge is verified through an individual interview. In particular, the level of knowledge of the students will be assessed through questions and presentation of topics covered in the course.
Alla fine del corso, si suppone che lo studente, partendo dalle conoscenza acquisite, sia capace di affrontare problemi realistici legati al campo della termofluidodinamica dei sistemi propulsivi. In particolare, le capacità richieste per risolvere problemi realistici negli ambiti del corso sono:
- capacità di identificare gli obiettivi e le risorse disponibili per affrontare il problema
- capacità di comprensione fisica del problema
- capacità di discriminare le informazioni essenziali/irrilevanti del problema
- capacità di proporre soluzioni
- capacità di valutazione critica dei risultati
At the end of the course, the student must be able to face real problems in the field of thermo-fluid-dynamics of propulsion systems. In particular, the required skills to solve real problems are associated to the capability of:
- identification of objectives and available resources
- physical understanding
- discrimination of essential/irrelevant information
- derivation of the solution
- critical assessment of the solution
Durante il colloquio orale, la preparazione dello studente verrà verificata sia attraverso domande riguardanti gli argomenti discussi a lezione sia attraverso la risoluzione di pronlemi che implicano l'utilizzo delle capacità acquisite durante lo studio del corso.
In the individual interview the student’s preparation is verified both by questions on the topics discussed in the lesson, and by the solution of problems that will imply the use of the skills developed during the studying of the course.
Alla fine del corso, ci si aspetta che lo studente abbia acquisito una sufficiente confidenza con gli argomenti teorici esposti nel corso e le conseguenti applicazioni in modo tale da poter affrontare e risolvere nuovi problemi non banali associati ai sistemi di propulsione.
At the end of the course, the student is expected to be confident with theory and its applications in order to be capable of elaborating information to generate solutions of new non-trivial problems.
Durante l'esame orale, lo studente verrà posto di fronte a tipici problemi associati agli argomenti sopradescritti e verrà valutato sulla sua capacità di elaborare le informazioni fornite per generare soluzioni dei problemi.
During the exam, the student is placed in front of problems related to the aforementioned aspects and is evaluated according to its capability of elaborating information to generate solutions of new problems.
Tutti i contenuti dei corsi della laurea triennale in ingegneria aerospaziale.
Più specificatamente, utili prerequisiti riguardano la conoscenza dei fondamentali di:
- termodinamica applicata, trasferimento del calore (conduzione, convezione, irraggiamento)
- fluidodinamica, aerodinamica, gasdinamica
- meccanica, acustica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica
- meccanica analitica (cinematica, statica, dinamica)
- analisi matematica, calcolo differenziale, geometria, calcolo vettoriale e tensoriale
- calcolo complesso, equazioni differenziali a derivate ordinarie, equazioni differenziali a derivate parziali
- tecnologia meccanica
- propulsione aeronautica (cicli termici, motori, turbomacchine, parametri operativi, requisiti, applicazioni, ecc.)
All contents of the three-year degree courses in aerospace engineering.
More specifically, useful background concerns with fundamentals of:
- Thermal-Fluid Sciences:
– applied thermodynamics, heat transfer (conduction, convection, radiation)
– fluid mechanics, aerodynamics, gas dynamics
- Physics and Mechanics:
– mechanics, acoustics, thermodynamics, electromagnetism, optics
– analytical mechanics (kinematics, statics, dynamics)
– structure mechanics and dynamics
- Applied Mathematics:
– calculus, series, ODE’s, PDE’s, geometry, vector and tensor analysis
– complex calculus, ODE’s, special functions, EVP’s and BVP’s
– numerical analysis, multiple nonlinear equations, integration, ODE’s, PDE’s
- Manufacturing Technologies
- Aircraft Propulsion:
– cycles, engines, turbomachines, operation parameters, requirements, applications
- Le lezioni frontali vengono svolte sia con l’ausilio di slide che alla lavagna.
- Le esercitazioni in aula consistono dello svolgimento di alcuni problemi numerici, esplicativi degli argomenti trattati. I problemi sono· analoghi a quelli proposti per lo studio personale ed all’esame.
- Tutto il materiale didattico utilizzato a lezione è messo a disposizione degli studenti tramite il sito elearning.
- Il sito elearning è utilizzato per tutte le comunicazioni agli studenti e la gestione degli esami.
- A supporto dello studio personale, il ricevimento settimanale è accessibile agli studenti mediante appuntamento con il docente.
- Frontal lessons are done with slide and blackboard support.
- Classroom exercises consist of the development of some numerical problems, explaining the topics discussed. The problems are similar to those proposed for personal study and examination.
- All teaching materials used in the lesson are available to students via the e-learning website.
- The e-learning website is used for all student communications and exam management.
- As a support to personal study, office hour is accessible to students by appointment with the teacher.
Calcolo Vettoriale e Tensoriale.
Scalari, vettori e tensori nello spazio fisico; leggi di combinazione. Vettori e tensori negli spazi reali Euclidei Cartesiani a dimensioni finite: componenti e cambio di base; tensori ortogonali, simmetrici, antisimmetrici e inversi; sottospazi invarianti 1D e 2D, traccia, determinante e rappresentazione canonica di tensori. Differenziazione scalare e integrazione di vettori. Geometria differenziale di curve e superfici. Differenziazione nel tempo e nello spazio di vettori e tensori. Teoremi di integrazione vettoriale. Coordinate cartesiane e curvilinee ortogonali.
Termodinamica Avanzata.
Principi generali ed equilibrio termodinamico, formulazioni alternative, derivate termodinamiche. Gas ideali e reali. Scale termometriche. Processi e cicli termodinamici, macchine termiche. Stabilità termodinamica.
Termochimica.
Equilibrio di reazioni chimiche singole o simultanee. Equilibrio chimico in gas ideali. Dati termodinamici e proprietà di formazione. Calori di reazione. Reazioni adiabatiche e non adiabatiche. Dipendenza parametrica. Reazioni in gas reali.
Cinetica Chimica.
Reazioni elementari, costanti e tempi di avanzamento. Ordine di reazione e molecularità. Reazioni consecutive, compatitive ed opposte. Reazioni a catena ed esplosive. Modelli e cinetica di reazioni analitiche e globali.
Cinetica dei Gas.
Classica teoria cinetica dei gas. Distribuzione di Maxwell. Meccanica statstica e sua relazione con la termodinamica.
Equazioni dei Fluidi.
Coordinate e cinematica del flusso. Equazioni conservative e costitutive. Forme speciali delle equazioni conservative. Proprietà di trasporto. Condizioni al contorno. Similitudine fluidodinamica.
Gas Dinamica.
Condizioni e proprietà di ristagno. Flussi comprimibili quasi-1D in condotti. Onde planari non lineari: urti normali adiabatici e non adiabatici, urti obliqui, detonazioni e deflagrazioni, tubi d'urto.
Calcolo Complesso.
Numeri complessi e rappresentazioni. Funzioni a variabili complesse: potenze e radici; differenziazione, funzioni elementari, rami e rami principali. Mappature analitica. Integrazione complessa, serie di potenze, singolarità e poli. Integrazione a residui.
Flussi Ideali.
Equazioni di governo, funzione potenziale di corrente e dio velocità. Flusso potenziale planare: formulazione dell'analisi complessa; soluzioni a variabili separabili elementari e sovrapposizione, forze e momenti del flusso, flusso attorno ad un cilindro, trasformazioni del flusso e soluzioni attraverso mappatura conforme ed analitica; lastra piana, flusso in schiera di palette lineare e radiale. Flusso potenziale ideale assialsimmetrico: soluzioni a variabili separabili elementari e sovrapposizione. Flussi non stazionari e forze di massa apparenti. Onde in suerfici libere planari e assialsimmetriche, instabilità di Rayleigh-Taylor.
Vector and Tensor Calculus.
Scalars, vectors and tensors in physical space; combination laws. Vectors and tensors in finite-dimensional real Euclidian Cartesian spaces: components and change-of-basis; orthogonal, symmetric, skew-symmetric and inverse tensors; 1D and 2D invariant subspaces, trace, determinant and canonic representations of tensors. Scalar differentiation and integration of vectors. Differential geometry of curves and surfaces. Differentiation of time- and space-dependent vectors and tensors. Vector integration theorems. Cartesian and orthogonal curvilinear coordinates.
Advanced Thermodynamics.
General principles and thermodynamic equilibrium, alternative formulations, thermodynamic derivatives. Ideal and real gases. Temperature scales. Thermodynamic processes and cycles, thermal engines. Thermodynamic stability.
Thermochemistry.
Equilibrium of single and simultaneous chemical reactions. Chemical equilibrium in ideal gases. Thermodynamic data and formation properties. Heats of reaction. Adiabatic and nonadiabatic reactions. Parametric dependence. Reactions in real gases.
Chemical Kinetics.
Elementary reactions, rate constants and times. Reaction order and molecularity. Consecutive, competitive and opposite reactions. Chain and explosive reactions. Analytical and global reaction models and kinetics.
Gas Kinetics.
Classical kinetic theory of gases. Maxwell distribution. Statistical mechanics and its relation to thermodynamics.
Flow Equations.
Coordinates and flow kinematics. Conservation and constitutive equations. Special forms of the conservation equations. Transport properties. Boundary conditions. Fluid dynamic similarity.
Gas Dynamics.
Stagnation conditions and properties. Quasi-1D compressible flows in ducts. Planar nonlinear waves: adiabatic and nonadiabatic normal shocks, oblique shocks, detonations and deflagrations, shock tubes.
Complex Calculus.
Complex numbers and representations. Complex variable functions: powers and roots; differentiation, elementary functions, branches and principal branches. Analytic mappings. Complex integration, power series, singularities and poles. Residue integration.
Ideal Flows.
Governing equations, velocity potential and stream function. Planar potential flows: complex analysis formulation; elementary separable solutions and superposition, flow forces and moments, flow around a cylinder, flow transformations and solutions by conformal and analytic mappings; flat plate, linear and radial cascade flows. Axisymmetric ideal potential flows; elementary separable solutions and superposition. Unsteady flows and apparent mass forces. Planar and axisymmetric free surface waves, Rayleigh-Taylor instabilities.
- Materiale didattico fornito dal docente (disponibile sul sito web: e-learning)
I libri di testo raccomandati per un approfondimento degli argomenti coperti dal corso sono:
- Currie I. G., 1993, “Fundamental Mechanics of Fluids”, McGraw-Hill, (fluid dynamic equations, ideal flows)
- Anderson J. D. Jr., 1990, “Modern Compressible Flow with Historical Perspective”, McGraw-Hill, (1D gas dynamics, linear and nonlinear waves).
- Callen H.B., 1985, “Thermodynamics and an Introduction to Thermostatitstics”, John Wiley & Sons (advanced thermodynamics)
- Çengel Y. A; Boles M. A., 2015, “Thermodynamics : An Engineering Approach”, New York: McGraw-Hill Education, [2015] ©2015 (advanced thermodynamics)
- 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)
- Instructor hand-outs (available on the e-learning website)
The recommended textbooks for the further study of the main topics covered in the course are:
- Currie I. G., 1993, “Fundamental Mechanics of Fluids”, McGraw-Hill, (fluid dynamic equations, ideal flows)
- Anderson J. D. Jr., 1990, “Modern Compressible Flow with Historical Perspective”, McGraw-Hill, (1D gas dynamics, linear and nonlinear waves).
- Callen H.B., 1985, “Thermodynamics and an Introduction to Thermostatitstics”, John Wiley & Sons (advanced thermodynamics)
- Çengel Y. A; Boles M. A., 2015, “Thermodynamics : An Engineering Approach”, New York: McGraw-Hill Education, [2015] ©2015 (advanced thermodynamics)
- 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)
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-learning e consultando il docente.
E’ molto importante integrare lo studio con lo svolgimento degli esercizi proposti, reperibili su e-learning.
The course contents are partially reworked each year. We recommend that you keep abreast of the latest versions of documents in support of the lessons through e-learn and consult the professor.
It is very important to integrate the study with the proposed exercises, available e-learn.
L'esame è un colloquio orale che consiste in:
- soluzione (su foglio o alla lavagna) di uno o più problemi (tipicamente due) riguardanti il programma del corso. L'uso del materiale distribuito dal docente durante il corso è permesso, a meno che diversamente indicato al momento dell'assegnazione del problema;
- domande e rischiesta di esposizione riguardanti gli argomenti coperti dal corso.
L'esame si prefigge di verificare il livello di comprensione degli argomenti del corso e la capacità usare le nozioni acquisite per sviluppare soluzioni originali.
The exam is an oral interview and it consists of:
- the solution (either written or on the blackboard) of one or more problems (typically two) concerning the course program. The use of the material distributed by the instructor during the course is permitted, unless otherwise indicated at the assignment of the problem.
- questions and presentation of topics covered in the course.
The examination is intended to verify the degree of understanding of the course topics and the ability to use it to develop original solutions.