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Fenomeni di trasporto e Fluidodinamica computazionale
01NFLMW
A.A. 2021/22
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 40 |
| Esercitazioni in aula | 10 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari |
|---|
2021/22
L'insegnamento intende introdurre gli studenti allo studio dei fenomeni di trasporto di materia, quantità di moto ed energia e la loro soluzione numerica utilizzando codici di fluidodinamica computazionale.
The course discusses the numerical solution of transport phenomena problems with computational fluid dynamics.
Gli obiettivi principali dell'insegnamento consistono nello sviluppo della capacità di:
- utilizzare con senso critico codici numerici per la simulazione dei fenomeni di trasporto
- costruire modelli matematici complessi di fenomeni di trasporto e chimico-fisici
The main objectives of this course are the development of the following skills:
- use with criticisms commercial codes for the simulation of chemical processes
- build and solve complex mathematical models for transport phenomena
Gli studenti potranno seguire proficuamente l'insegnamento solo se:
- famigliari con i concetti di base dell'analisi matematica delle funzioni di molte variabili
- in grado di risolvere equazioni differenziali ordinarie e equazioni differenziali alle derivate parziali
- famigliari con il calcolo vettoriale e tensoriale
- posseggono i concetti di base di fluidodinamica, termodinamica, trasporto di energia e di materia
- capaci di visualizzare e comprendere concetti astratti e complessi
Students will be able to profitably follow the course only if:
- familiar with the basic concepts of differential calculus and functional analysis
- capable of solving ordinary differential equations and familiar with the formalism of partial differential equations
- familiar with vectorial and tensorial calculus
- familiar with basic concepts of fluid dynamics, thermodynamics and transport phenomena
- capable of imagining and visualizing complex concepts
Soluzione delle equazioni con la fluidodinamica computazionale. Codici a volumi finiti. Discretizzazione spaziale: schemi first-order upwind, central differencing, second-order upwind, QUICK e MUSCL. Limitatezza della soluzione e numero di Peclet di cella. Discretizzazione temporale: schemi impliciti ed espliciti. Stabilità della soluzione, numero di Courant e condizione di CFL. Accoppiamento pressione-velocità. Coefficienti di sottorilassamento.
Modellazione della turbolenza. Energia cinetica turbolenta e velocità di dissipazione della turbolenza. Ipotesi di Kolmogorov e spettro dell’energia cinetica turbolenta. Numeri di Reynolds turbolento e di Taylor. Scala integrale della turbolenza, di Tayor e di Kolmogorov. Modelli per la turbolenza: algebrici, ad una equazione, a due equazioni o multi-equazione. Funzioni alla parete standard (legge lineare e logartimica) e di non-equilibrio.
Modelli computazionali per il trasporto di energia. Bilancio di energia in sistemi turbolenti. Profilo di temperatura alla parete e numero di Prandtl turbolento. Cenni al problema dell’irraggiamento.
Miscelazione turbolenta e reazione. Approccio della media di Reynolds e diffusività turbolenta. Numero di Schmidt turbolento. Definizione di frazione di miscelamento e sua varianza. Chiusura del termine di reazione chimica con metodo dei momenti, assunzione del raggiungimento istantaneo dell’equilibrio chimico, metodi delle funzioni densità di probabilità trasportati e presunti (beta-PDF).
Computational fluid dynamics for the solution of flow equations. Finite volume discretization. Spatial discretization: first-order upwind, central differencing, second-order upwind, QUICK and MUSCL. Boundedness of the solution and cell Peclet number. Temporal discretization: implicit and explicit schemes, stability of the solution, Courant number and CFL condition. Pressure-velocity coupling. Under-relaxation factors.
Turbulence modelling. Turbulent kinetic energy and turbulent dissipation rate. Kolmogorov hypothesis and energy spectrum. Reynolds and Taylor turbulent numbers. Integral, Taylor and Kolmogorov turbulent scales. Turbulence models: algebraic, one-, two- and multi-equation models. Standard and non-equilibrium wall function.
Computational models for energy transport. Local and global heat transfer coefficients and relative correlations. Nusselt number. Energy balance in turbulent systems. Wall temperature profile and turbulent Prandtl number. Fundamentals of energy transport by radiation.
Turbulent mixing and chemical reactions: Reynolds average and turbulent diffusion. Turbulent Schmidt number. Definition of the mean mixture fraction and its variance. Closure for the chemical reaction source term: moment method, instantaneous reactions, presumed and full probability density function approaches.
Il corso si articola in lezioni (in aula) ed esercitazioni numeriche in laboratorio informatico per l'uso di codici di fluidodinamica computazionale.
The course is organized in lectures and practical sessions in the computer laboratory for the numerical solution of complex problems.
B. Andersson, R. Andersson, L. Håkansson, M. Mortensen, R. Sudiyo, B. van Wachem. Computational Fluid Dynamics for Engineers. Cambridge: Cambridge University Press, 2012.
B. Andersson, R. Andersson, L. Håkansson, M. Mortensen, R. Sudiyo, B. van Wachem. Computational Fluid Dynamics for Engineers. Cambridge: Cambridge University Press, 2012.
Modalità di esame: Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Group project;
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La valutazione finale consiste nella presentazione di gruppo del progetto di simulazione.
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.
Exam: Group project;
The final assessment is done via the discussion of the group simulation project.
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.
Modalità di esame: Elaborato progettuale in gruppo;
La valutazione finale consiste nella presentazione di gruppo del progetto di simulazione.
Exam: Group project;
The final assessment is done via the discussion of the group simulation project.
Modalità di esame: Elaborato progettuale in gruppo;
La valutazione finale consiste nella presentazione di gruppo del progetto di simulazione.
Exam: Group project;
The final assessment is done via the discussion of the group simulation project.