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Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine
03PESMT
A.A. 2025/26
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 atto a risolvere le equazioni di Eulero che applicheranno a problemi fluidodinamici di interesse propulsivo in maniera da acquisire esperienza e capacità critiche di valutazione dei risultati. In seguito effettueranno delle esperienze di simulazione di flussi turbolenti con approccio RANS mediante software commerciale andando a confrontare i risultati ottenuti con i due approcci e valutando eventuali discrepanze rispetto ai dati sperimentali disponibili in letteratura. Infine verrà impostato un problema di ottimizzazione di forma multiobiettivo di interesse propulsionistico.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
Il corso fornisce strumenti teorici e computazionali di base per l'analisi e il progetto di turbomacchine. Oggetto principale è lo studio del flusso attraverso schiere palettate, 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 specificatamente rivolta al complesso delle turbomacchine, con un focus sia sui compressori che sulle turbine. Particolare attenzione viene posta allo studio del compressore assiale, sia in campo subsonico che supersonico, in quanto macchina esemplare per le problematiche fluidodinamiche, aeroelastiche e di instabilità di funzionamento che lo caratterizzano e che vengono esaltate dal progetto aggressivo dei moderni propulsori aerospaziali. Le tecniche analitiche e numeriche trattate vengono altresi declinate in applicazioni a flussi interni diversi, quali ad es le prese ipersoniche e gli ugelli avanzati.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
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 CFD code for solving Euler equations 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. Finally, they will perform RANS simulations of turbulent flows by means of a commercial software. They will compare the Euler results and the RANS results with the experimental data available in the literature. Finally, a multiobjective shape optimization problem on a reference test case will be studied.
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 to techniques of analytical and 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: - identificare la tipologia di 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 - stabilire il tipo di griglia di calcolo necessario e valutarne la qualità - valutare in maniera critica i risultati ottenuti anche mediante degli indicatori quantitativi
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
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.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
Capability for analysis and preliminary design of turbomachinery blade rows. Capability for critical interpretation of numerical simulations of internal flow field 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 e Fluidodinamica di base. Fondamenti della propulsione. Fondamenti di calcolo numerico e programmazione.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
Termodinamica, meccanica e fluidodinamica di base. Fondamenti della propulsione. Fondamenti di calcolo numerico e programmazione.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
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.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
- Richiami di fluidodinamica del flusso comprimibile,viscoso e reagente. - Equazioni alle derivate parziali iperboliche, paraboliche ed ellittiche: implicazioni fisiche e numeriche. - 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. - Modelli RANS/LES per flussi turbolenti. - Cenni di combustione - Metodi per lo studio dell'interazione statore-rotore nelle turbomacchine - Simulazione di getti propulsivi in ambiente rarefatto - Valutazione critica dei risultati numerici. - Introduzione all'ottimizzazione di forma.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
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. Stadio di turbina assiale. Fattore di carico, coefficiente di portata, grado di reazione. Evoluzione termodinamica di un gas attraverso uno stadio di cturbina assiale. Effetto del grado di reazione. Compressori supersonici. Schiere investite da correnti supersoniche. Urti ed espansioni su bordi d'attacco e di uscita. - Correnti supersoniche assialmente subsoniche: l'incidenza unica.
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- 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.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
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..
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
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 e di un software CFD commerciale. 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. Infine verrà impostato lo studio di un problema di ottimizzazione di forma multi-obiettivo su un caso di interesse propulsionistico.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
Nomenclatura dei profili in schiera. Esercizi numerici sulla teoria impulsiva. Studio delle prestazioni di schiere di profili in basse veolocità. 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. Metodi d analisi e progetto di componenti di sistema propulsivo in campo supersonico. Calcolo di un getto 2D supersonico. Progetto di ugelli avanzati autoadattanti. Valutazione degli effetti della compressibilità su schiere di compressore supersonico e calcolo delle condizioni di incidenza unica secondo il metodo di Levine.
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Development of a computational program for the numerical simulation of the flow in nozzles and / or two-dimensional cascade.
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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. - 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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Esercitazioni di laboratorio; Strumenti di simulazione;
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Slides; Dispense;
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Lab exercises; Simulation tools;
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Lecture slides; Lecture notes;
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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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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. 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). Nella discussione della parte teorica si verificherà la comprensione degli schemi numerici discussi a lezione e la comprensione delle proprietà (e delle limitazioni) dei modelli fisici discussi durante il corso. Nella discussione della relazione relative alle esercitazioni si verificherà la capacità di valutare in maniera critica i risultati di una simulazione CFD e la comprensione delle procedure utilizzate per ottenerli. 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 relativo al corso congiunto di "Fluidodinamica delle turbomacchine" e "Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi" è ottenuto mediante media aritmetica dei voti dei due moduli.
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica delle turbomacchine)
L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell'insegnamento e la capacità di applicare la teoria e i relativi metodi di calcolo alla soluzione di esercizi. L'esame è orale, consiste in alcune domande poste ad ogni candidato, sviluppate attraverso la discussione di argomenti affrontati durante le lezioni e/o le esercitazioni e ha una durata di circa mezz'ora. Le esercitazioni svolte dal singolo studente sono parte integrante della valutazione e vanno depositate nella sezione ELABORATI del portale della didattica entro il giorno dell'appello.
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Exam: Compulsory oral exam; Group essay;
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Exam: Compulsory oral exam;
Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi/Fluidodinamica delle turbomacchine (Fluidodinamica computazionale dei sistemi propulsivi)
The exams is oral. 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.