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PORTALE DELLA DIDATTICA

Flussi turbolenti

03GDWMT

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 55
Esercitazioni in aula 10
Esercitazioni in laboratorio 15
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Tordella Daniela Professore Associato ING-IND/06 55 0 0 0 12
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/06 8 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
2018/19
L'insegnamento ha la finalità di completare le conoscenze di base relative al moto turbolento di un fluido e della sua interazione con le superfici solide. In particolare si analizzano le proprietà fisiche della turbolenza nelle configurazioni tipiche dei flussi liberi e dei flussi confinati da parete di interesse industriale, in particolare aerospaziale. Insieme al comportamento fisico si descrivono le principali metodologie di studio numeriche e sperimentali e si prepara lo studente all'utilizzo critico del software commerciale di simulazione numerica largamente utilizzato nell'ambito industriale. L'insegnamento è limitato al caso di moto di flussi incomprimibili.
The course is intended as a graduate course for engineering students. The course consists in two parts: the first part provides a general introduction to turbulent flows, including the Navier-Stokes equations; the statistical representation of turbulent fields; mean-flow equations: the behaviour of simple free-shear and wall-bounded flows; the energy cascade; turbulence spectra and the Kolmogorov hypothesis. The second part introduces the simulation and modelling approaches: direct numerical simulations, large-eddy simulations and Raynolds averaged Navier-Stokes methods.
Acquisizione di conoscenze aggiornate sullo studio dei moti turbolenti, capacità di eseguire valutazioni di sforzo d'attrito nei flussi di parete e di interpretare le teorie ed i modelli implementati nei moderni codici di calcolo.
The course will allow students to understand the fundamental physical process involved in turbulent flows, to know how they can be described quantitatively and to critically use the models implemented in modern CFD software.
Fondamenti del calcolo differenziale ed integrale. Conoscenza dei principali argomenti trattati nei corsi del tipo di aerodinamica -- fluidodinamica -- meccanica dei fluidi.
Fundamentals of differential and integral calculus. Knowledge of the main topics covered in courses as aerodynamics - fluid dynamics - fluid mechanics.
-- Introduzione: la natura fisica della turbolenza. Le equazioni del moto per flussi incompressibili (richiami). Il tensore degli sforzi di Reynolds. Equazioni dei momenti del secondo ordine: equazioni di bilancio degli sforzi di Reynolds e dell'energia cinetica delle fluttuazioni turbolente. -- Elementi di statistica per la descrizione dei moti turbolenti: media di insieme e media temporale, la funzione densità di probabilità, momenti centrali (varianza, skewness e flattness), correlazioni, funzione di correlazione. Simmetrie statistiche nei flussi turbolenti. Le scale nei moti turbolenti. L'analisi spettrale dei flussi turbolenti. La cascata di energia. Ipotesi di Komogorov (K 1941). -- Moti di parete: canale e strato limite. Strato limite laminare (richiami). Teoria della stabilità lineare. Equazione di Orr-Sommerfeld. Curve di stabilità neutra. La transizione negli strati limite bidimensionali. Le onde di Tollmien-Schlichting. Effetti del numero di Reynolds, della rugosità di parete, del livello di turbolenza del flusso esterno, del gradiente di pressione. Effetti di tridimensionalità, amplificazione di instabilità del moto trasversale, contaminazione di bordo d'attacco. Metodi empirici per la predizione della transizione. Struttura dello strato limite, sotto strato viscoso, buffer layer, regione logaritmica e wake region. Strutture coerenti, vortici quasi longitudinali e strisce di bassa ed alta velocità. Rigenerazione dell'energia turbolenta nella regione prossima a parete: ipotesi correnti. Equazioni mediate per lo strato limite turbolento: approssimazioni e metodi di chiusura. Equazione integrale di Von Karman. -- Cenni sulla turbolenza di griglia, sui getti, scie e mixing turbolenti. -- Metodi numerici per lo studio dei moti turbolenti: DNS (direct numerical simulation): limiti di applicabilita ai flussi di interesse industriale. LES (large eddy simulation): le equazioni filtrate, il modello di Smagorinsky, il modello dinamico. RANS (Reynolds averaged methods): ipotesi di Boussinesq, modello algebrico, one equation model, modello k-epsilon, Reynolds-stress transport equations model.
-- Introduction. The nature of turbulent flows. The Navier-Stokes equations for incompressible flows. -- Statistical description of turbulence. The random nature of turbulence, characterization of random variables, probability density function, ensemble average, joint random variables. Spectral analysis of turbulence. The energy cascade. Kolomogorov hypothesis. Mean flow equations: Reynolds equations, Reynolds stresses. -- Wall flows: channel flow and boundary layers. Linear stability theory, Orr-Sommerfeld equations, neutral stability curves. Turbulent transition in two-dimensional bopundary layers. Description of the flows, balance of mean forces, near-wall shear stress, mean velocity profiles, reynolds stresses balances, friction laws, turbulent structures. -- Grid turbulence, turbulent free shear flows (jets, wakes, mixings). -- Experimental methods -- Numerical methods to study turbulent motions: DNS (direct numerical simulation): computational costs, limits for industrial flows. LES (large eddy simulation): filtering, filtered conservation equations, Smagorinsky model, dynamical procedure. RANS (Reynolds averaged methods): the closure of Reynolds equations: Boussinesq hypothesis, algebraic models, one equation models, two equation models (k-epsilon), Reynolds-stress transport equations models.
Sono previste esercitazioni concernenti i principali metodi di simulazione numerica presso il LABinf. Metodo RANS: ala 3D, software STAR CCM+. Metodi LES e DNS: canale, mixings e turbolenza isotropa. Cenni sul calcolo parallelo con esercitazione dedicata presso il CASPER (DAUIN) del Labinf. Sessioni di lavoro saranno dedicate alla visualizzazione dei campi tridimensionali per mezzo del software VisIt.
Practical exercises on the main simulation methods at the LabInf laboratory. RANS: finite wing (software STAR-CCM+), LES and DNS: channel flow, homogeneous and isotropic turbulence, turbulent mixings. Parallel computing for DNS using the CASPER cluster at LabInf. Visualization of three-dimensional fields by using dedicated software (VisIt)
a) Testo di riferimento per il corso: Copia delle diapositive proiettate durante le lezioni fornite dal docente nel Portale della Didattica. b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione: -- Stephen B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press (2000) -- DJ Tritton, Physical Fluid Dynamics, Oxford University Press (1988). -- Jean Mathieu, Julian Scott, An Introduction to Turbulent Flow, Cambridge University Press (2000).
a) Course reference material: Copy of the slides used during the lectures (available for download on the “Portale della didattica”) b) Other suggested material: -- Stephen B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press (2000) -- DJ Tritton, Physical Fluid Dynamics, Oxford University Press (1988). -- Jean Mathieu, Julian Scott, An Introduction to Turbulent Flow, Cambridge University Press (2000).
Modalità di esame: prova scritta;
Tipo di prova: scritta, 12 domande aperte. - Durata della prova: 1 - 1.30, a richiesta di qualche studente più lento (in genere tutti finiscono entro circa 1 ora 15 min) - Uso materiale didattico: no - Valutazione massima: 30 e lode - Descrizione della prova orale: non si fa orale. Ma in itinere corso, in modo facoltativo, può essere chiesto ai singoli studenti di preparare brevi reports su argomenti di loro speciale interesse (reports preparati in gruppo non sono ammessi). Di queste attività si tiene conto nel determinare il voto finale.
Exam: written test;
Students are required to take a written examination, consisting in 12 open questions.


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