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Fluidodinamica nel volo spaziale

01SRHMT

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/06 6 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
2020/21
L'insegnamento affronta diversi aspetti fondamentali relativi alla fluidodinamica nel volo spaziale. L'obiettivo del corso è fornire agli studenti le conoscenze di base nel settore, approfondendo tematiche complementari e multidisciplinari inerenti al volo spaziale. Verranno descritti i principali strumenti investigativi, di natura modellistico-numerica e sperimentale, presentandoli nel contesto della loro applicazione tecnologica. Il corso si sviluppa in due moduli complementari e integrati: Modulo di aerodinamica del rientro (D. D’Ambrosio) Il modulo si concentra sulla descrizione e l’analisi dei principali fenomeni che caratterizzano l’ingresso di veicoli spaziali in atmosfera planetaria, sia terrestre che extraterrestre. In particolare, viene trattata l’aerodinamica del regime ipersonico ed i relativi effetti aero-termodinamici connessi alle condizioni di alta temperatura che si generano intorno ad un veicolo nella fase di ingresso atmosferico. Le conoscenze così acquisite vengono utilizzate per analizzare l’impatto dei fenomeni aero-termodinamici sulla scelta dei materiali e sul dimensionamento dei sistemi di protezione termica. Modulo di biofluidodinamica e medicina spaziale (S. Scarsoglio) Il modulo è dedicato ai problemi di adattamento della fisiologia umana in ambienti estremi, esaminando più in dettaglio le condizioni di micro- e iper-gravità associate al volo umano spaziale. Particolare attenzione è riservata agli aspetti fluidodinamici legati alle alterazioni della circolazione cardiovascolare e dell'apparato respiratorio, con cenni ai cambiamenti indotti negli altri sistemi/apparati del corpo umano. La trattazione coinvolge dapprima una descrizione qualitativa e fenomenologica del sistema e del suo adattamento, fino ad arrivare ad un’analisi quantitativa in cui l’approccio fisico-ingegneristico è utilizzato per studiare problemi specifici e contromisure.
The course deals with several fundamental aspects related to fluid dynamics in space flight. The aim is to provide students with the basic knowledge in the field, by focusing on complementary and multidisciplinary topics related to space flight. The main investigative tools of modelling-numerical and experimental nature will be described, presenting them in the context of their technological application. The course is developed in two complementary and integrated modules: Re-entry aerodynamics module (D. D’Ambrosio) The module focuses on the description and analysis of the main aerothermodynamic phenomena that characterize spacecrafts entry into planetary atmosphere, both terrestrial and extraterrestrial. In particular, we will discuss the fundamental aspects of hypersonic aerodynamics and the related aero-thermodynamic effects arising from the high temperature conditions that occur around a space vehicle during the atmospheric entry phase. The acquired knowledge is used to analyze the impact of aero-thermodynamic phenomena on the choice of the materials and on the sizing of thermal protection systems. Space biofluid dynamics and medicine module (S. Scarsoglio) The module addresses the adaptation of human physiology to extreme environments, with detailed focus on micro- and hyper-gravity conditions associated to the human space flight. Particular attention is paid to the fluid dynamics alterations of the cardiovascular circulation and respiratory system, with brief hints into the changes induced to other systems/apparatuses of the human body. The module development first involves a qualitative and phenomenological description of the system and its adaptation, up to a quantitative analysis in which the physical-engineering approach is used to study specific problems and countermeasures.
Il corso intende fornire approfondimenti riguardanti alcune tematiche fluidodinamiche di natura interdisciplinare che interessano il volo spaziale. Agli studenti verrà proposta una panoramica degli strumenti investigativi, di natura modellistico-computazionale e sperimentale, presentandoli nel contesto della loro applicazione tecnologica. Alcuni aspetti salienti delle conoscenze acquisite saranno applicati dal punto di vista numerico, al fine di arricchire la descrizione e la comprensione dei fenomeni fluidodinamici nel volo spaziale.
The course aims to provide different insights into fluid dynamics issues of interdisciplinary nature related to space flight. An overview of the numerical, modelling and experimental investigative tools will be proposed to the students, presenting them in the context of their technical application. Some salient aspects of the acquired knowledge will be applied from the numerical point of view, in order to enrich the description and the understanding of the fluid dynamics phenomena in space flight.
Si richiede la conoscenza delle equazioni di bilancio della fluidodinamica ed il comportamento dei fluidi nei diversi regimi di moto, e di aver frequentato i corsi di Aerodinamica e Gasdinamica. Sono inoltre necessarie nozioni di base dei metodi numerici e di un linguaggio di programmazione per il calcolo scientifico.
The course requires the knowledge of the governing equations of fluid dynamics and the behavior of fluids in different flow regimes, as well as having attended the courses of Aerodynamics and Gasdynamics. Basic notions of numerical methods and a programming language for scientific calculation are also needed.
MODULO AERODINAMICA DEL RIENTRO • Introduzione all’aerodinamica in regime ipersonico: definizioni, fenomeni principali e cenni storici. • Richiami sulle onde d’urto ed analisi del comportamento delle onde d’urto ad elevati numeri di Mach e su corpi appuntiti e tozzi • Strato limite cinematico e termico in flussi ad elevato numero di Mach: equazioni approssimate e loro soluzione. Strato limite cinematico e termico lungo la linea di stagnazione: equazioni approssimate e loro soluzione, correlazioni per la valutazione del flusso termico nel punto di stagnazione. Interazioni urto/strato limite. • Effetti di alta temperatura: definizioni e descrizione qualitativa dei principali fenomeni. Richiami sulle miscele gassose. Reazioni chimiche nei gas, calore di reazione, entalpia di formazione, equilibrio chimico, calcolo della composizione di una miscela gassosa in condizioni di equilibrio chimico. Ripartizione dell’energia interna per una specie chimica in fase gassosa ed in una miscela gassosa in condizioni di equilibrio. Miscele gassose in condizioni di non-equilibrio chimico e termico: definizioni, modelli, equazioni di governo e termini di sorgente. • Interazioni fluido/parete: scudi termici riutilizzabili e spendibili, cataliticità di un materiale, materiali ablativi, fenomeni principali nella risposta termica di un materiale ablativo e cenni sulla loro modellizzazione. MODULO BIOFLUIDODINAMICA E MEDICINA SPAZIALE • Introduzione. Fondamenti di fisiologia umana: sistema cardiovascolare e respiratorio in condizioni terrestri standard. Elementi di emodinamica cardiaca e arteriosa • Condizioni "estreme" per l'uomo: stress ed esercizio. Ambienti estremi per l'uomo: terrestre e marino. Ruolo della gravità, quota, profondità e assenza di peso • Caratteristiche dell'ambiente spaziale (micro- e ipergravità, radiazioni, campo magnetico, accelerazioni da rientro, ...) • Alterazioni del sistema cardio-vascolare e respiratorio associati al volo umano spaziale • Cenni alle principali alterazioni degli altri sistemi/apparati del corpo umano: meccanica e dinamica muscolo-scheletrica; sistema neuro-sensoriale e vestibolare; aspetti psico-sociali e comportamentali • Contromisure, gravità artificiale e sistemi di supporto alla vita • Cenni all'attività extra-veicolare (EVA), preparazione al volo e riabilitazione • Esercitazioni: aspetti di emodinamica computazionale. Modello matematico per lo studio del sistema cardio-circolatorio.
RE-ENTRY AERODYNAMICS MODULE • Introduction to hypersonic aerodynamics: definitions, basic phenomena and historical outline. • Shock waves and analysis of shock waves behavior at high Mach numbers and about pointed and blunt bodies • Kinematic and thermal boundary layers in high Mach number flows: approximate equations and their solution. Kinematic and thermal boundary layer along the stagnation line: approximate equations and their solution, correlations for the evaluation of the heat flux at the stagnation point. Shock wave / boundary layer interactions. • High temperature effects: definitions and qualitative description of the main phenomena. Gas mixtures. Chemical reactions in gases, reaction heat, formation enthalpy, chemical equilibrium, calculation of the composition of a gas mixture chemical equilibrium conditions. Internal energy distribution for gaseous chemical species and in a gas mixture equilibrium conditions. Gas mixtures in chemical and thermal non-equilibrium conditions: definitions, models, governing equations and source terms. • Fluid/surface interactions: reusable and expendable heat shields, catalytic properties of a material, ablative materials, main aspects of the thermal response of an ablative material and basics about their modeling. SPACE BIOFLUID DYNAMICS AND MEDICINE MODULE • Introduction. Fundamentals of human physiology: cardiovascular and respiratory system in standard terrestrial conditions. Basics of cardiac and arterial hemodynamics • "Extreme" conditions for humans: stress and exercise. Extreme environments for human life: terrestrial and marine. Role of gravity, height, depth and weightlessness • Features of the space environment (micro- and hypergravity, radiation, magnetic field, planetary acceleration, ...) • Alterations of the cardiovascular and respiratory system associated with human space flight • Outline of the main alterations of the other systems/apparatuses of the human body: mechanics and musculoskeletal dynamics; neuro-sensory and vestibular system; psycho-social and behavioral aspects • Countermeasures, artificial gravity and life support systems • Hints of extra-vehicular activity (EVA), flight preparation and rehabilitation • Practicals: aspects of computational hemodynamics. Mathematical modeling for the study of the cardio-circulatory system
Il corso è suddiviso in due moduli: (i) aerotermodinamica del rientro e (ii) biofluidodinamica e medicina spaziale, ciascuno di 30 ore. Il modulo di aerotermodinamica del rientro si articola in 30 ore, di cui circa 22 ore di lezioni sugli aspetti teorici e circa 8 ore di esercitazioni svolte al calcolatore usando strumenti di simulazione numerica sotto la guida del docente. Il modulo di biofluidodinamica e medicina spaziale si articola in 30 ore, di cui circa 22 ore di lezioni riguardanti aspetti teorici, e 8 ore di applicazioni relative all'emodinamica computazionale, svolte al pc sotto la guida del docente.
The course is divided into two modules: (i) re-entry aerodynamics and (ii) space biofluid dynamics and medicine, each of 30 hours. The re-entry aerodynamics module is composed of 30 hours, of which approximately 22 hours of lectures regarding theoretical aspects, and about 8 hours of exercises performed on the computer using numerical simulation tools under the supervision of the teacher. The space biofluid dynamics and medicine module is composed of 30 hours, of which approximately 22 hours of lectures concerning theoretical aspects, and 8 hours of applications related to computational hemodynamics, carried out at the pc under the supervision of the teacher.
a) Testo di riferimento per il corso: Dispense/note fornite dai docenti b) Per ulteriori approfondimenti e consultazione: - J. D. Anderson Jr., Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. AIAA Publications, AIAA, Reston, VA, 2000 - H.-C. Gunga, V. Weller von Ahlefeld, H.-J. Appell Coriolano, A. Werner, U. Hoffmann, Cardiovascular System, Red Blood Cells, and Oxygen Transport in Microgravity, Springer, 2016 - H. Planel, Space and Life: An Introduction to Space Biology and Medicine, CRC Press, 2004 - J. C. Buckey Jr., Space Physiology, Oxford University Press, 2006 - G. Clément, Fundamentals of Space Medicine, Springer, 2011
a) Reference text for the course: Notes provided by the teachers b) For further reading and investigation: - J. D. Anderson Jr., Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. AIAA Publications, AIAA, Reston, VA, 2000 - H.-C. Gunga, V. Weller von Ahlefeld, H.-J. Appell Coriolano, A. Werner, U. Hoffmann, Cardiovascular System, Red Blood Cells, and Oxygen Transport in Microgravity, Springer, 2016 - H. Planel, Space and Life: An Introduction to Space Biology and Medicine, CRC Press, 2004 - J. C. Buckey Jr., Space Physiology, Oxford University Press, 2006 - G. Clément, Fundamentals of Space Medicine, Springer, 2011
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
L’esame finale è orale per ciascuno dei due moduli e accerta l’acquisizione della comprensione, delle competenze e delle abilità tecniche attese. Al fine di verificare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l’acquisizione delle conoscenze fondamentali e la capacità di comprensione delle applicazioni tecnologiche, la prova orale verte su argomenti trattati a lezione e durante le esercitazioni. Si richiede agli studenti di redigere e presentare all'esame brevi relazioni sulle esercitazioni svolte, da commentare in fase di discussione orale. Il voto finale (max 30 e lode) è una media delle valutazioni dei due moduli, a condizione che la valutazione di ogni singolo modulo sia sufficiente (18/30).
Exam: Compulsory oral exam;
The exam is oral for each of the two modules and is aimed to quantify the level of knowledge, skills and competences the student is assumed to acquire. To check the achievement of the expected learning outcomes, by verifying the level of theoretical comprehension reached and the ability in approaching technological applications, the final assessment is based on questions related to the topics covered during lectures and practicals. Students are asked to draw up and present at the exam short reports on the exercises, to be commented during the oral discussion. The final grade (max 30 cum laude) is an average of the evaluations of the two modules, provided that the evaluation of each single module is sufficient (18/30).
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
L’esame finale è orale per ciascuno dei due moduli e accerta l’acquisizione della comprensione, delle competenze e delle abilità tecniche attese. Al fine di verificare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l’acquisizione delle conoscenze fondamentali e la capacità di comprensione delle applicazioni tecnologiche, la prova orale verte su argomenti trattati a lezione e durante le esercitazioni. Si richiede agli studenti di redigere e presentare all'esame brevi relazioni sulle esercitazioni svolte, da commentare in fase di discussione orale. Il voto finale (max 30 e lode) è una media delle valutazioni dei due moduli, a condizione che la valutazione di ogni singolo modulo sia sufficiente (18/30).
Exam: Compulsory oral exam;
The exam is oral for each of the two modules and is aimed to quantify the level of knowledge, skills and competences the student is assumed to acquire. To check the achievement of the expected learning outcomes, by verifying the level of theoretical comprehension reached and the ability in approaching technological applications, the final assessment is based on questions related to the topics covered during lectures and practicals. Students are asked to draw up and present at the exam short reports on the exercises, to be commented during the oral discussion. The final grade (max 30 cum laude) is an average of the evaluations of the two modules, provided that the evaluation of each single module is sufficient (18/30).


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