Il corso si propone di fornire gli elementi di base per la comprensione delle moderne tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD) con particolare riferimento alle applicazioni di tipo industriale.
CC2: La conoscenza approfondita degli aspetti teorico-scientifici della matematica e delle altre scienze di base ed essere capaci di utilizzare tale conoscenza per interpretare e descrivere i problemi dell'ingegneria complessi o che richiedono un approccio interdisciplinare.
CC3: La conoscenza e l’utilizzo di strumenti scientifici (informatici e di altra natura) specifici per il settore della progettazione nell’ambito proprio dell’ingegneria meccanica
CA3: La capacità di scegliere e applicare appropriati metodi analitici e di modellazione, basati sull’analisi matematica e numerica, per poter simulare al meglio il comportamento di componenti e impianti al fine di predirne e migliorarne le prestazioni.
CA8: La capacità di interpretare in maniera appropriata i risultati dei test sperimentali, dei calcoli di verifica, nonché dei processi di simulazione teorica complessa, tramite l’uso del calcolatore, dando applicazione alle basi, sperimentali, modellistiche, matematiche ed informatiche acquisite.
CA9: La capacità di valutare criticamente dati e risultati e trarre conclusioni appropriate, consapevoli del grado di incertezza da cui potrebbero essere affette.
CA12: La capacità adeguata di comprensione delle fonti in lingua inglese.
CA15: La capacità di raggiungere una preparazione adeguata per poter accedere al terzo livello degli studi universitari (frequenza a master di secondo livello ed a scuole di dottorato), in modo da approfondire ulteriormente conoscenze e capacità nell’ambito della ricerca.
Obiettivi Formativi - Parte B
1) Obiettivo generale del corso
Il corso si propone di fornire gli elementi di base per la comprensione delle moderne tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD) con particolare riferimento alle applicazioni di tipo industriale. L'obiettivo del corso è descrivere i principi di base dei principali algoritmi di soluzione delle equazioni di Navier-Stokes mediante l'approccio ai volumi finiti, i principali modelli per la descrizione dei flussi turbolenti (chiusura RANS, LES, transizione). Verranno poi introdotte le metodologie per la modellazione di flussi reattivi turbolenti e flussi bifasici. La parte finale del corso sarà poi dedicata ad esercitazioni su alcuni casi applicativi.
2) Conoscenze erogate
cc1: La conoscenza approfondita degli aspetti teorico-scientifici dell'ingegneria, sia in generale sia in modo approfondito relativamente a quelli dell'ingegneria meccanica, nella quale sono capaci di identificare, formulare e risolvere, anche in modo innovativo, problemi complessi o che richiedono un approccio interdisciplinare. La capacità di comprendere un contesto multidisciplinare in ambito ingegneristico e di operare in ottica problem solving.,
cc3: La conoscenza e l’utilizzo di strumenti scientifici (informatici e di altra natura) specifici per il settore della progettazione nell’ambito proprio dell’ingegneria meccanica.,
cc4: La conoscenza dei metodi numerici per la progettazione e verifica di componenti e/o sistemi meccanici, comprensivi dei modelli numerici per la corretta rappresentazione del comportamento dei materiali. La conoscenza delle tipologie di analisi necessarie per eseguire la suddetta attività di progettazione e verifica secondo i più recenti requisiti del mondo industriale.,
cc11: La conoscenza del settore delle macchine approfondendo gli aspetti propriamente connessi con i sistemi per produrre e trasformare l'energia, con riferimento anche alle energie rinnovabili, e/o gli aspetti correlati con i sistemi di propulsione. La comprensione del ruolo svolto dalle diverse tecnologie energetiche al fine di garantire la sostenibilità ambientale ed economica della produzione.
3) Capcità di applicazione
ca3: La capacità di scegliere e applicare appropriati metodi analitici e di modellazione, basati sull’analisi matematica e numerica, per poter simulare al meglio il comportamento di componenti e impianti al fine di predirne e migliorarne le prestazioni.,
ca5: La capacità approfondita di scegliere e utilizzare attrezzature, strumenti, procedure e metodi appropriati, conoscendone i limiti e le potenzialità; in particolare la capacità di condurre esperimenti anche complessi, gestire ed impiegare strumentazione e software avanzati, con capacità di analisi adeguata.,
ca8: La capacità di interpretare in maniera appropriata i risultati dei test sperimentali, dei calcoli di verifica, nonché dei processi di simulazione teorica complessa, tramite l’uso del calcolatore, dando applicazione alle basi, sperimentali, modellistiche, matematiche ed informatiche acquisite.,
ca15: La capacità di raggiungere una preparazione adeguata per poter accedere al terzo livello degli studi universitari (frequenza a master di secondo livello ed a scuole di dottorato), in modo da approfondire ulteriormente conoscenze e capacità nell’ambito della ricerca.
Metodi Didattici - Parte B
Lezioni frontali ed esercitazioni pratiche in laboratorio di calcolo
Modalità di verifica apprendimento - Parte A
La valutazione dello studente prevede lo svolgimento di alcune esercitazioni delle quali si richiede di presentare l'elaborato al momento dell'esame che consiste di una sola una prova orale.
Vengono poste una o piu' domande al fine di valutare la preparazione dello studente e la sua comprensione degli argomenti trattati durante il corso.
Lo studente deve dimostrare di aver acquisito una sufficiente conoscenza degli argomenti trattati nel corso ed essere in grado di applicare metodi e modelli attinenti a tali argomenti al fine di risolvere problemi di interesse industriale.
Modalità di verifica apprendimento - Parte B
La valutazione dello studente prevede una prova orale ed eventuali esercitazioni in laboratorio in cui saranno proposte domande su teoria della discretizzazione ai volumi finiti, domande su modellistica della turbolenza, domande su algoritmi di soluzione, domande su schemi di discretizzazione.
Lo studente dovrà dimostrare di aver appreso i principi fisici alla base dei vari modelli analizzati, le loro caratteristiche numeriche e i limiti di applicazione, in modo da avere una corretta cognizione del loro utilizzo nei vari ambiti applicativi
Programma del corso - Parte A
Equazioni di Navier-Stokes
Discretizzazione ai volumi finiti: Discretizzazione temporale, Algoritmi di soluzione di tipo esplicito, Algoritmi di soluzione di tipo implicito, Boundary conditions e termini sorgenti, Soluzione di sistemi lineri di grandi dimensioni, Cenni al calcolo parallelo
Modellistica della turbolenza: Modelli Eddy-Viscosity, Modelli RSM, Trattamento a parete
Large Eddy Simulation: SGS closures, Hybrid RANS-LES
Elementi di base modelli di combustione turbolenta:
Elementi di base modellazione flussi bifasici
Esercitazioni varie
Programma del corso - Parte B
Equazioni di Navier-Stokes
-Richiami sulle equazioni di Navier-Stokes e sulle relazioni costitutive ad esse collegate.
-Meccanismi di trasporto in regime laminare
-Gruppi adimensionali
-Discretizzazione ai volumi finiti
-Elementi di base della discretizzazione
-Tipologie di griglie di calcolo
-Discretizzazione spaziale termini convettivi
-Upwind e schemi di ordine superiore
-Discretizzazione temporale
-Algoritmi di soluzione di tipo esplicito
-Algoritmi di soluzione di tipo implicito
-Low Mach Pressure based
-SIMPLE, PISO, Coupled solvers
-High Mach Density based
-Trattamento termini viscosi
-Accuratezza e controllo della convergenza
-Boundary conditions e termini sorgenti
-Principali tipologie di BC
-Teoria delle caratterisitche (richiami)
-Dirichlet, Neumann
-Non Reflective BC
-Esempi
-Modellazione implicita o esplicita dei termini sorgenti
-Operator splitting
-Soluzione di sistemi lineri di grandi dimensioni (richiami)
-Metodi diretti, metodi iterativi
-Precondizionamento (AMG)
-Cenni al calcolo parallelo
-Domain decomposition, paradigma Message Passing Interface
Modellistica della turbolenza
-Reynolds (Favre) Averaged Navier-Stokes
-Significato e derivazione delle equazioni
-Introduzione alla chiusura dei termini di trasporto
-Analisi dimensionale – Tensore degli sforzi di Reynolds
-Modelli Eddy-Viscosity
-K-eps., k-w e varianti
-Modelli RSM
-Trattamento a parete
-Richiami su strato limite turbolento
-Wall functions, Low Reynolds, Automatic Wall Treatment
-Approccio URANS
-Large Eddy Simulation
-Significato e derivazione delle equazioni
-SGS closures
-Smagorinsky, WALE
-Trattamento a Parete
-Wall Resolved LES
-Hybrid RANS-LES
-DES, DDES, iDDES, SBES
-SAS
Elementi di base modelli di combustione turbolenta
-Equazioni di Navier Stokes per flussi reattivi
-Interazione combustione/turbolenza
-Regimi di combustione turbolenta (fiamme premiscelate/non premiscelate)
-Modelli EDC
-Modelli Flamelet
-Modelli Flamelet Progress Variable o FGM
-Cenni a modelli avanzati (PDF transport, CMC)
Elementi di base modellazione flussi bifasici
-Generalizzazione e classificazione del problema
-Discrete Phase Model per soluzione di flussi dispersi con approccio Lagrangiano
-Modelli Euleriani-Euleriani, VOF
-Cenni alla modellazione dei fenomeni di cavitazione
Applicazioni
-Impiego e limiti RANS nel calcolo aerodinamico
-Modelli di transizione
-Impiego e limiti RANS EVM nello studio dei processi di mixing e scambio termico
-Jet in Cross Flow, Swirling Flows, Stagnation point anomaly, Adverse pressure gradients
-Miglioramento con impiego LES o Hybrid-LES
-Applicazione flussi multiphase
Esempio di analisi di atomizzazione di liquid jet e/o liquid film
Esercitazioni varie
Presentazione (con esercitazione pratica) di alcuni casi applicativi
Esercitazioni varie
Presentazione (con esercitazione pratica) di alcuni casi applicativi