La fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics, CFD) è uno strumento di simulazione numerica ampiamente utilizzato nel progetto aerodinamico. In ambito industriale, l’uso della CFD è molto frequentemente legato all’impiego di programmi di calcolo realizzati da società specializzate esterne (i cosiddetti "programmi commerciali"), anche se talvolta, in particolare nelle caso delle industrie più avanzate e di grandi dimensioni, esistono sezioni che si dedicano allo sviluppo "in loco" di codici CFD. La situazione è rovesciata nel caso dei centri di ricerca, che per la maggior parte utilizzano codici di calcolo realizzati al proprio interno. Tenendo conto di questo scenario, l’obiettivo del corso è fornire agli studenti gli strumenti necessari per comprendere in modo sufficientemente dettagliato il funzionamento dei più diffusi algoritmi per la simulazione numerica in fluidodinamica. Il fine ultimo è quello di formare ingegneri capaci di usare con cognizione di causa i codici CFD "commerciali", ma anche di iniziare un’attività di ricerca e sviluppo in fluidodinamica computazionale con un’adeguata formazione iniziale.

Uno studente cha abbia assimilato gli argomenti del corso conoscerà le principali tecniche di simulazione numerica di campi di moto in regime incompressibile e compressibile ed avrà la capacità di interpretare in modo critico i risultati ottenuti con un codice di fluidodinamica numerica.

Conoscenza delle equazioni di governo della fluidodinamica e del comportamento dei fluidi nei diversi regimi di moto (Aerodinamica, Gasdinamica). Conoscenze di base dei metodi numerici per il calcolo scientifico (Metodi Numerici e Calcolo Scientifico). Conoscenza di base di un linguaggio di programmazione.

Generalità
Richiami sulle equazioni di Navier-Stokes e sulle relazioni costitutive ad esse collegate. Forma integrale e forma differenziale. Forma conservativa. Flussi incompressibili e flussi compressibili. Condizioni al contorno per le equazioni di Navier-Stokes.
Tecniche di discretizzazione nello spazio e nel tempo. Consistenza, stabilità, convergenza degli algoritmi.
II. Metodi di soluzione delle equazioni di Navier-Stokes per flussi incompressibili
Metodi di soluzione basati sulla pressione. Scelta del tipo di griglia (co-located oppure staggered). Schemi di integrazione espliciti. Schemi di integrazione impliciti: SIMPLE, PISO, SIMPLER e SIMPLEC.
Metodi di proiezione. Cenni ad altri metodi risolutivi.
III. Metodi di soluzione delle equazioni di Navier-Stokes per flussi compressibili
Richiami su velocità caratteristiche, segnali, equazioni di compatibilità, discontinuità e loro velocità di propagazione. Introduzione ai metodi upwind e loro applicazione all’equazione scalare di convezione. Metodi di Godunov per il sistema delle equazioni di Eulero in una dimensione. Solutore di Riemann esatto e solutori di Riemann approssimati. Metodi di elevata accuratezza. Applicazione di metodi di elevata accuratezza alle equazioni di Eulero in una dimensione. Estensione a geometrie bi- e tridimensionali. Trattamento dei flussi diffusivi. Metodi di integrazione espliciti ed impliciti.

Alle lezioni si affiancano esercitazioni da eseguire al calcolatore nel laboratorio LAPAS. In alcuni casi vengono forniti agli studenti codici di fluidodinamica computazionale realizzati dal docente, che devono essere analizzati ed utilizzati per interpretarne i risultati. In altre esercitazioni viene richiesto agli studenti di implementare, sotto la guida del docente, alcune subroutine in cui si applicano i concetti introdotti a lezione.

Testo di riferimento per il corso: Dispense del docente.
b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione:
[1] Anderson, J.D.Jr, "Computational Fluid Dynamics – The Basics with Applications", McGraw-Hill, 1995. ISBN 0-07-001685-2.
[2] Ferziger, J.H. and M. Periæ, "Computational Methods for Fluid Dynamic", Springer, 2002. ISBN 3-540-42074-6.
[3] LeVeque, R.J. "Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems", Cambridge University Press, 2002. ISBN 0-521-81087-6.
[4] Toro, E.L., "Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics – A Practical Introduction", 3rd Ed., Springer, 2009. ISBN 978-3-540-25202-3.

L’esame è orale e consiste nella risposta a domande relative agli argomenti trattati durante le lezioni e le esercitazioni. Si richiede agli studenti di portare all’esame un piccolo fascicolo contenente brevi relazioni sugli argomenti trattati durante le esercitazioni, che essi dovranno commentare in fase di esame.