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Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine

01PESMT

A.A. 2022/23

2022/23

Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)

L'insegnamento è focalizzato sulla simulazione numerica del flusso all'interno dei sistemi propulsivi aerospaziali. Formalmente strutturato in lezioni ed esercitazioni, esso è organizzato in maniera da far acquisire agli allievi i fondamenti delle tecniche di calcolo di campi fluidodinamici per mezzo di immediate applicazioni numeriche delle nozioni teoriche impartite. Durante le esercitazioni gli studenti svilupperanno un codice di calcolo CFD semplificato che applicheranno a problemi fluidodinamici di interesse propulsivo in maniera da acquisire esperienza e capacità critiche di valutazione dei risultati.

Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)

Il corso ha per obbiettivo lo studio dei fenomeni di natura fluidodinamica connessi al progetto e all' analisi di sistemi propulsivi aeronautici e spaziali. Formalmente strutturato in lezioni ed esercitazioni, esso è rivolto principalmente allo studio del flusso interno, affrontato con diversi strumenti, che vanno dai bilanci di massa, energia e quantità di moto attraverso superfici di controllo, allo studio analitico, alle correlazioni di dati empirici, alle tecniche numeriche. La trattazione è rivolta, da un lato, al complesso delle turbomacchine, con particolare attenzione allo studio del compressore assiale che è una macchina esemplare per le problematiche fluidodinamiche poste dai moderni apparati propulsivi aeronautici, e dall’altro, alle tecniche di simulazione numerica di flussi interni a prese d’aria, ugelli e schiere palettate.

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The course is focused on the numerical simulation of the flow field inside aerospace propulsion systems. The course includes laboratory sessions which allow to understand the theoretical concepts by applying them to practical problems. During the laboratory sessions the students will develop a simplified CFD code which will be applied to the simulation of some representative problems in order to gain experience and to develop the ability to critically evaluate the results.

Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)

Object of the course is the description of the main aspects related to the design and the analysis of aerospace propulsion components . It is primarily intended to the study of internal flows, to the description of the main analytical, empirical and computational tools needed for the aerodynamic analysis/design of such components. The attention is focused, on the one hand, to turbomachinery fluid dynamics, with particular attention to the axial compressor, and secondly, to techniques of numerical simulation of internal flows on inlets, nozzles and turbomachinery blade profiles.

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Al termine dell’insegnamento gli studenti saranno in grado di: - scegliere il modello più adatto per il problema in esame - determinare quante e quali condizioni al contorno sono necessarie - scegliere il metodo numerico di simulazione più appropriato - scegliere il tipo di griglia di calcolo più appropriato - valutare in maniera critica i risultati ottenuti mediante degli indicatori quantitativi

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Capacità di analisi e progetto di massima di schiere palettate per turbomacchine. Capacità di interpretazione critica delle simulazioni numeriche di moto interno a sistemi propulsivi.

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Capacity for analysis and preliminary design of turbomachinery blade rows. Capacity for critical interpretation of numerical simulations of internal motion in propulsion systems.

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Capacity for analysis and preliminary design of turbomachinery blade rows. Capacity for critical interpretation of numerical simulations of internal motion in propulsion systems.

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Termodinamica, meccanica e fluidodinamica di base. Fondamenti della propulsione. Fondamenti di calcolo numerico e programmazione.

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Termodinamica, meccanica e fluidodinamica di base. Fondamenti della propulsione. Fondamenti di calcolo numerico e programmazione.

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Thermodynamics, fluid mechanics. Elements of propulsion. Elements of numerical computation and programming.

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Thermodynamics, fluid mechanics. Elements of propulsion. Elements of numerical computation and programming.

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- Richiami di fluidodinamica del flusso comprimibile,viscoso e reagente. - Modelli RANS/LES per flussi turbolenti. - Formulazioni conservative e quasi lineari delle equazioni del moto. - Metodi alle differenze finite, metodi ai volumi finiti, metodi agli elementi finiti. - Integrazione nel tempo con tecniche esplicite e implicite - Generazione di griglie di calcolo. - Problematiche relative a flussi in prese d' aria, ugelli, combustori e schiere di palettature. - Valutazione critica dei risultati numerici

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MODULO DI FLUIDODINAMICA SISTEMI PROPULSIVI Francesco Larocca - Richiami di fluidodinamica del flusso comprimibile,viscoso. - Formulazioni conservative e quasi lineari delle equazioni del moto. - Approssimazione numerica di campi di moto supersonici stazionari. - Approssimazione numerica con tecnica "dipendente dal tempo" di campi stazionari misti subsonici-supersonici. - Discretizzazione dei campi a geometria complicata. - Generazione analitica e numerica di griglie di calcolo. - Discretizzazione dei campi a geometria complicata. - Flussi interni bidimensionali in prese d' aria , ugelli e schiere di profili MODULO DI FLUIDODINAMICA DELLE TURBOMACCHINE Francesco Larocca Triangoli di velocità. Teoria impulsiva: forze agenti su una schiera di profili. Soluzione analitica per flusso potenziale. Caratteristiche sperimentali di schiere. Il fenomeno dello stallo. La correlazione di Howell: problemi di analisi e di progetto. Dati sperimentali NACA. Effetti legati alla comprimibilità: Mach critico, Mach massimo, choking, loro dipendenza dall'incidenza. Stadio di compressore assiale: fattore di carico, coefficiente di portata, grado di reazione. Evoluzione termodinamica di un gas attraverso uno stadio di compressore assiale. Effetto del grado di reazione sullo stallo in bassa e alta velocità. Studio quasi-3D -Equilibrio radiale: problema di progetto e di analisi. Criteri di svergolamento. Flussi secondari. Stallo rotante, pompaggio.Schiere investite da correnti supersoniche. Urti ed espansioni su bordi d'attacco e di uscita. - Correnti supersoniche assialmente subsoniche: l'incidenza unica. Metodi della fluidodinamica computazionale applicati all'analisi e al progetto di schiere di profili.

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MODULO COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS OF PROPULSION SYSTEMS Francesco Larocca - Elements of compressible inviscid/viscous flow. - Conservative and quasi-linear formulations of the governing equations. - Numerical approximation of steady supersonic flow fields. - Numerical approximation with t ime-dependent technique for steady subsonic and transonic flow fields. - Analytical and numerical grid generation. - Internal flows in air intakes, nozzles and blade rows. MODULO TURBOMACHINERY FLUID DYNAMICS Francesco Larocca Velocity triangles. Impulsive theory: forces acting on cascade profiles. Analytical solution for potential flow. Experimental features of cascade. The phenomenon of a stall. The Howell correlation: problems of analysis and design. NACA experimental data. Effects due to compressibility: critical Mach, maximum Mach, choking, their dependence on incidence. Compressor stage axial load factor, flow coefficient, degree of reaction. Thermodynamic evolution of a gas through a stage of an axial compressor. Effect of degree of reaction on the stall in low and high speed. Quasi-3D approximation. Radial equilibrium: design and analysis problems. Secondary flows. Rotating stall, surge. Supersonic flow: shocks and expansions at leading and trailing edges, unique incidence..

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MODULO COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS OF PROPULSION SYSTEMS Francesco Larocca - Elements of compressible inviscid/viscous flow. - Conservative and quasi-linear formulations of the governing equations. - Numerical approximation of steady supersonic flow fields. - Numerical approximation with t ime-dependent technique for steady subsonic and transonic flow fields. - Analytical and numerical grid generation. - Internal flows in air intakes, nozzles and blade rows. MODULO TURBOMACHINERY FLUID DYNAMICS Francesco Larocca Velocity triangles. Impulsive theory: forces acting on cascade profiles. Analytical solution for potential flow. Experimental features of cascade. The phenomenon of a stall. The Howell correlation: problems of analysis and design. NACA experimental data. Effects due to compressibility: critical Mach, maximum Mach, choking, their dependence on incidence. Compressor stage axial load factor, flow coefficient, degree of reaction. Thermodynamic evolution of a gas through a stage of an axial compressor. Effect of degree of reaction on the stall in low and high speed. Quasi-3D approximation. Radial equilibrium: design and analysis problems. Secondary flows. Rotating stall, surge. Supersonic flow: shocks and expansions at leading and trailing edges, unique incidence..

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L’insegnamento è strutturato in: - 35 ore di lezione in aula, mirate allo sviluppo di conoscenze relative ai modelli fisici disponibili, alle principali tecniche di discretizzazione e alle peculiarità tipiche dei flussi nei sistemi propulsivi aerospaziali. - 25 ore di esercitazione in laboratorio mirate a stimolare l’abilità di applicare le conoscenze acquisite mediante lo sviluppo e l'utilizzo di un codice di simulazione CFD semplificato. Gli studenti avranno modo di acquisire esperienza pratica nelle problematiche di generazione della griglia e di gestione della simulazione. L'attività di sviluppo del codice permetterà di rendere evidenti le implicazioni pratiche delle conoscenze teoriche acquisite.

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MODULO DI FLUIDODINAMICA SISTEMI PROPULSIVI Francesco Larocca Sviluppo di un programma di calcolo per lo studio numerico di ugelli e/o schiere bidimensionali. MODULO DI FLUIDODINAMICA DELLE TURBOMACCHINE Francesco Larocca Nomenclatura dei profili in schiera. Esercizi numerici sulla teoria impulsiva. Valutazione analitica del flusso potenziale su una schiera di lamine piane. Valutazione degli effetti viscosi secondo la correlazione sperimentale di Howell. Dimensionamento di massima di un compressore assiale pluristadio. Progetto quasi 3D di uno stadio. Calcolo di un getto 2D supersonico. Calcolo delle condizioni di incidenza unica secondo il metodo di Levine.

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MODULO DI FLUIDODINAMICA SISTEMI PROPULSIVI Francesco Larocca Development of a computational program for the numerical simulation of the flow in nozzles and / or two-dimensional cascade. MODULO DI FLUIDODINAMICA DELLE TURBOMACCHINE Francesco Larocca Nomenclature of cascade. Analytical evaluation of potential flow in cascade of flat plates. Assessment of viscous effects according to the experimental correlation of Howell. Design of a multistage axial compressor. Quasi-3D design of a single compressor stage. 2D supersonic jet. Unique incidence according to the method of Levine.

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MODULO DI FLUIDODINAMICA SISTEMI PROPULSIVI Francesco Larocca Development of a computational program for the numerical simulation of the flow in nozzles and / or two-dimensional cascade. MODULO DI FLUIDODINAMICA DELLE TURBOMACCHINE Francesco Larocca Nomenclature of cascade. Analytical evaluation of potential flow in cascade of flat plates. Assessment of viscous effects according to the experimental correlation of Howell. Design of a multistage axial compressor. Quasi-3D design of a single compressor stage. 2D supersonic jet. Unique incidence according to the method of Levine.

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- J. Blazek. Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications, Butterworth-Heinemann (2015) - R.J. LeVeque, Numerical Methods for Conservation Laws, Birkhauser - M.J. Zucrow,J.D. Hoffman: Gas Dynamics, John Wiley & Sons - C. Hirsch: Numerical Computation of internal and external flows, John Wiley & Sons

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- Appunti e materiale didattico verranno forniti dai docenti durante il corso. - J. H. Horlock, Axial FlowCompressors, Butterworths Sc. Pubbl. London - J. H. Horlock, Axial Flow Turbines, Butterworths Sc. Pubbl. London - M.H.Vavra, Aero- thermodynamics and flow in turbomachines - Wiley, New York. - C. Hirsch: Numerical Copmutation of internal and external flows, John Wiley & Sons - M.J. Zucrow,J.D. Hoffman: Gas Dynamics, John Wiley & Sons

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- Notes and teaching materials will be provided during the lectures. - J. H. Horlock, Axial FlowCompressors, Butterworths Sc. Pubbl. London - J. H. Horlock, Axial Flow Turbines, Butterworths Sc. Pubbl. London - M.H.Vavra, Aero- thermodynamics and flow in turbomachines - Wiley, New York. - C. Hirsch: Numerical Copmutation of internal and external flows, John Wiley & Sons - M.J. Zucrow,J.D. Hoffman: Gas Dynamics, John Wiley & Sons

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- Notes and teaching materials will be provided during the lectures. - J. H. Horlock, Axial FlowCompressors, Butterworths Sc. Pubbl. London - J. H. Horlock, Axial Flow Turbines, Butterworths Sc. Pubbl. London - M.H.Vavra, Aero- thermodynamics and flow in turbomachines - Wiley, New York. - C. Hirsch: Numerical Copmutation of internal and external flows, John Wiley & Sons - M.J. Zucrow,J.D. Hoffman: Gas Dynamics, John Wiley & Sons

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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Exam: Compulsory oral exam; Group essay;

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Exam: Compulsory oral exam;

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Risultati di apprendimento attesi Comprensione degli argomenti trattati e abilità di calcolo nell’utilizzo dei relativi strumenti matematici introdotti. Capacità di riconoscere le ripercussioni pratiche delle nozioni teoriche apprese. Capacità di valutare in maniera critica i risultati di una simulazione CFD. Criteri, regole e procedure per l'esame L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell'insegnamento e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alla simulazione numerica di flussi nell'ambito della propulsione aerospaziale. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. L'esame consiste in una prova orale della durata di circa mezz'ora in cui verranno discussi due argomenti di teoria (ogni argomento vale massimo 10 punti) e si chiederà allo studente di illustrare e spiegare il contenuto della relazione relativa alle esercitazioni (massimo 10 punti). La relazione deve essere presentata all'esame per essere discussa e può essere svolta in gruppo: il contributo del singolo studente verrà valutato in base alla sua capacità di rispondere ai quesiti relativi al lavoro svolto. Il voto finale complessivo dell'esame accorpato è ottenuto tramite media con il voto relativo all'esame del modulo "Fluidodinamica delle turbomacchine".

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Gli esami sono orali e consistono, per ognuno dei due moduli, in domande poste ad ogni candidato, sviluppate attraverso la discussione su argomenti affrontati durante le lezioni e l’ esercitazione.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.

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Exam: Compulsory oral exam; Group essay;

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Exam: Compulsory oral exam;

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The exams are oral for each module. The candidates will be asked to discuss the topics covered during class and tutorials.

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The exams are oral for each module. The candidates will be asked to discuss the topics covered during class and tutorials.

In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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