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Fluidodinamica e Ingegneria del vento computazionali
05ONDNG
A.A. 2021/22
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Matematica - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 100 |
| Esercitazioni in aula | 20 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bruno Luca | Professore Ordinario | CEAR-07/A | 30 | 10 | 0 | 0 | 12 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ICAR/09 ING-IND/06 MAT/08 |
6 2 4 |
C - Affini o integrative B - Caratterizzanti F - Altre attività (art. 10) |
Attività formative affini o integrative Discipline ingegneristiche Altre conoscenze utili per l'inserimento nel mondo del lavoro |
|---|
2021/22
L'insegnamento intende offrire un panorama ampio nell'ambito dell'Ingegneria Aeronautica e Civile sulla simulazione computazionale di flussi comprimibili e incomprimibili, dell’analisi numerica dei modelli computazionali. Per conseguire questo obiettivo, l'insegnamento si articola in tre moduli disciplinarmente connotati, complementari e integrati:
• il modulo di Fluidodinamica Computazionale (titolare D. D’Ambrosio, 30 ore di lezione, 10 di laboratorio) è dedicato alla modellazione e alla simulazione computazionale di flussi compressibili in applicazioni aerospaziali;
• il modulo di Ingegneria del Vento Computazionale (titolare L. Bruno, 30 ore di lezione, 10 di laboratorio) è dedicato alla modellazione e alla simulazione computazionale del comportamento aerodinamico delle opere civili maggiormente sensibili all’azione del vento, quali edifici alti o ponti di grande luce;
• il modulo di Analisi Numerica (titolare C. Canuto, 40 ore di lezione) fornisce le basi matematiche per l'analisi critica delle proprietà dei metodi numerici presentati negli altri due moduli.
The Course aims at providing a wide overview on the computational simulations of compressible and incompressible flows in Aerospace and Civil Engineering applications, and on the numerical analysis of the computational models. In order to attain such a goal, the Course is organized in three specific, integrated, and complementary teaching modules:
• teaching module Computational Fluid Dynamics (taught by D. D’Ambrosio, about 30 hrs of lessons, 10 hrs of Laboratory tutorial) is devoted to modelling and computational simulation of compressible flows in Aerospace applications;
• teaching module Computational Wind Engineering (taught by L. Bruno, about 30 hrs of lessons, 10 hrs of Laboratory tutorial) is devoted to modelling and computational simulations of the aerodynamic behaviour of Civil Structures subjected to wind action, such as tall buildings, or long-span bridges;
• teaching module Numerical Analysis (taught by C. Canuto, about 40 hrs of lessons) provides the mathematical background to critically analyse the properties of the numerical methods discussed in the other modules.
L’insegnamento si propone di trasmettere allo studente e di verificare in sede di esame l’effettiva acquisizione delle seguenti conoscenze:
- principali fenomeni fisici di flussi comprimibili e incomprimibili turbolenti;
- modelli fisico-matematici di flussi comprimibili e incomprimibili turbolenti;
- approcci numerici più adeguati per la discretizzazione dei modelli;
L’insegnamento si propone di trasmettere allo studente e di verificare in sede di esame l’effettiva acquisizione delle seguenti abilità operative:
- capacità di comprensione della letteratura scientifica su fluidodinamica e ingegneria del vento computazionali
- uso consapevole di strumenti di simulazione computazionale avanzati
- capacità di dialogo in contesti multidisciplinari indirizzati alla soluzione di problemi delle scienze dell’ingegneria
The course aims at transmitting to the students and at checking during the test their actual knowledge in the following fields:
- main physical phenomena in compressible and incompressible turbulent flows;
- physical and mathematical models of compressible and incompressible turbulent flows;
- numerical approaches most suited to discretize the models
The course aims at transmitting to the students and at checking during the test their actual skills in the following fields:
- ability in reading and understanding the scientific literature in computational fluid dynamics and computational wind engineering;
- informed use of advanced computational tools;
- capacity for dialogue in multidisciplinary contexts addressed to problem solving in engineering
L'insegnamento rappresenta, coerentemente con il percorso formativo dell’ingegnere matematico, una finalizzazione ingegneristica nell’area civile-industriale delle conoscenze fisico - matematiche acquisite dall’allievo negli insegnamenti precedenti. In particolare, l'insegnamento ha come prerequisiti i corsi di Metodi numerici per le equazioni alle derivate parziali, Meccanica dei Continui, Meccanica dei solidi, Fluidodinamica.
The Course applies the physical and mathematical background previously acquired by the students to the engineering sciences in the Civil and Aerospace field, coherently with the overall learning process of the Master’s degree programme in Mathematical Engineering. In particular, the Course requires as prerequisites the Courses of Numerical methods for partial derivative equations, Continuum Mechanics, Solid Mechanics, Fluid Dynamics.
Il modulo di Fluidodinamica Computazionale tratterà i seguenti argomenti principali:
1. analisi dei principali fenomeni fisici caratteristici dei flussi compressibili
2. studio di equazioni e sistemi di equazioni iperboliche, con particolare riferimento all’equazione di Burgers’ e al sistema delle equazioni di Eulero per flussi unidimensionali non-stazionari
3. analisi delle discontinuità in fluidodinamica: onde d’urto e superfici di contatto
4. tecniche “upwind” per la soluzione numerica dell’equazione di Burgers e delle equazioni di Eulero
5. cenni sull’estensione a casi multidimensionali e alle equazioni di Navier-Stokes
6. esercitazioni al calcolatore nel corso delle quali saranno utilizzati e discussi codici di calcolo basati sui metodi numerici trattati a lezione
Il modulo di Ingegneria del Vento Computazionale tratterà i seguenti argomenti principali:
7. modellazione del vento nello strato limite atmosferico
8. analisi fenomenologica dell’aerodinamica dei corpi tozzi
9. modellazione di flussi turbolenti (Simulazione Numerica Diretta, Simulazione ai Grandi Vortici, equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds)
10. Metodo di discretizzazione ai Volumi Finiti
11. Schemi numerici per i termini diffusivo e convettivo – Schemi di avanzamento in tempo
12. Generazione di griglie e errori indotti dalla griglia
13. Esercitazione finalizzata alla formulazione di un modello computazionale relativo ad un problema sufficientemente semplice, largamente studiato in ambito scientifico ma pure rappresentativo di un’applicazione ingegneristica in ambito civile (flusso incomprimibile, turbolento, separato intorno ad un cilindro di sezione quadrata). L’attività guidata in laboratorio prevede: l’analisi del problema nei suoi aspetti fenomenologici; la costruzione del modello di calcolo e la simulazione; l’analisi critica dei risultati. L’esercitazione sarà richiesta a gruppi di allievi in termini di studio autonomo e costituirà obbligatoriamente parte della valutazione finale nel caso in cui l’attività guidata in laboratorio sia erogata in presenza. L’esercitazione prevede: la comprensione di una pubblicazione scientifica attinente al tema dell’esercitazione e la sintesi dei contenuti in una scheda bibliografica; la variazione di un parametro del modello, la simulazione e il confronto dei risultati ottenuti con quelli di riferimento; la redazione di un rapporto finale nella forma di una memoria scientifica.
Il modulo di Analisi Numerica tratterà i seguenti argomenti principali:
14. Studio delle proprietà di consistenza, stabilità e convergenza di metodi alle differenze finite e ai volumi finiti per problemi lineari di trasporto e di convezione-diffusione. In particolare, verrà presentata l'analisi di von Neumann per i principali schemi di discretizzazione dell'equazione di trasporto a coefficienti costanti, e l'analisi di perturbazione singolare per l'equazione di convezione-diffusione al crescere del numero di Péclet.
15. Formulazione matematica delle equazioni di Navier-Stokes e delle equazioni di Stokes per flussi incomprimibili viscosi; loro discretizzazione in spazio mediante metodi variazionali (elementi finiti, metodi spettrali); formulazione del problema discreto come problema di punto-sella e studio delle condizioni di compatibilità tra velocità e pressione al fine di garantirne la stabilità; studio dell'errore di discretizzazione.
16. Analisi di metodi efficienti per la risoluzione del problema di Stokes, con particolare riferimento al problema del disaccoppiamento del calcolo della pressione da quello della velocità.
The main topics of the teaching module Computational Fluid Dynamics are:
1. analysis of the basic physical phenomena that characterize compressible flows
2. study of scalar hyperbolic equations and hyperbolic equations systems, with emphasis on the Burgers’ equation and on the Euler equations system for non-dimensional unsteady flows
3. analysis of discontinuities in fluid dynamics: shock waves and contact surfaces
4. “upwind” methods for the numerical solution of the Burgers’ equation and of the Euler equations
5. remarks on the extension to multi-dimensional geometries and to the Navier-Stokes equations
6. tutorials aimed at using and analysing Computational Fluid Dynamics codes based on the numerical methods that were discussed in the course the theoretical lessons
The main topics of the teaching module Computational Wind Engineering are:
7. modelling of the turbulent wind in the Atmospheric Boundary Layer
8. phenomenological analysis of bluff body aerodynamics
9. modelling of turbulent flows (Direct Numerical Simulation, Large Eddy Simulation, Reynolds Averaged Navier Stokes equations)
10. Finite Volume Discretization Method
11. Numerical schemes for convective and diffusive terms – Time marching schemes
12. Grid generation and grid errors
13. Tutorial addressed to the application of a computational model to a simple benchmark, largely studied in the research field but also representative of real world problems in Civil Engineering (incompressible, turbulent, separated flow around a square cylinder). The lab tutorial involves: the phenomenological analysis of the expected flow, the development of the computational model and its simulation; the critical analysis of the obtained results. An exercise carried out by the students as an autonomous work will mandatory follow only if the lab tutorial is taught face-to-face. The students are called upon: to read a scientific paper relevant to the benchmark adopted in the tutorial, and summarize its contents in a bibliographic note; to modify one parameter of the computational model; to carry out the simulation of the new model; to compare the results obtained by the two models and the data available in literature; to write a final report in the form of a scientific paper.
The main topics of the teaching module Numerical Analysis are:
14. Analysis of the properties of consistency, stability and convergence of finite difference and finite volume methods for linear transport and convection-diffusion problems. In particular, both the von Neumann analysis for the main discretization schemes of the constant-coefficient transport equation, and the singular perturbation analysis of the convection-diffusion equation while increasing Péclet numbers, will be detailed.
15. Mathematical formulation of the Navier-Stokes equations and the Stokes equations for incompressible viscous flows; their spatial discretization by variational methods (such as finite elements); formulation of the discrete problem as a saddle-point problem; analysis of the compatibility conditions between velocity and pressure to guarantee stability; analysis of the discretization error.
16. Analysis of efficient methods for solving the Stokes problem, with a particular focus on the uncoupling of the velocity and pressure calculations.
L'insegnamento è organizzato in lezioni (circa 80%) ed attività guidate in laboratorio (circa 20%). Queste ultime si svolgeranno nella seconda parte dei moduli di Fluidodinamica Computazionale e di Ingegneria del Vento Computazionale, e hanno come oggetto quanto descritto ai punti 6. e 13. del programma. Le esercitazioni dei moduli di Fluidodinamica Computazionale Ingegneria del Vento Computazionale avranno obiettivi formativi e modalità comuni. Gli allievi saranno chiamati a sperimentare in vitro didattico uno studio analogo a quelli che saranno chiamati a svolgere nella loro futura attività professionale di ricerca e sviluppo in ambito accademico o industriale. Le esercitazioni si svolgeranno in gruppi di 2-3 studenti.
The Course is organised in ex cathedra lessons (about 80%) and lab tutorials (about 20%). The exercises will take place during the second half of the teaching modules Computational Fluid Dynamics and Computational Wind Engineering, and they will focus on the contents described in items 6. and 13. of the syllabus above.
The exercises above have common training goals and methods. The students are called upon to develop “in vitro” a study analogously to what they will have to play during their future professional R&D activity in academic bodies or industries. The exercises will be developed by teams composed by 2-3 students each.
modulo di Fluidodinamica Computazionale:
Materiale di supporto alla didattica sarà fornito dai docenti e trasmesso per mezzo del Portale della Didattica durante lo svolgimento del Corso. Testi consigliati per approfondimenti:
[1] R. J. LeVeque, Finite Volumes Methods for Hyperbolic Problems, Cambridge University Press, 2002.
modulo di Ingegneria del Vento Computazionale:
Materiale di supporto alla didattica sarà fornito dai docenti e trasmesso per mezzo del Portale della Didattica durante lo svolgimento del Corso. Testi consigliati per approfondimenti:
[1] E. Simiu & R. Scanlan, Wind effects on structures: fundamental and applications to design, 3rd ed., J. Wiley and Sons, 1996.
[2] J.H. Ferziger & M. Perić, Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer Verlag, 1999.
modulo di Analisi Numerica:
Materiale di supporto alla didattica sarà fornito dai docenti e trasmesso per mezzo del Portale della Didattica durante lo svolgimento del Corso. Testi consigliati per approfondimenti:
[1] A. Quarteroni, Modellistica Numerica per Problemi Differenziali, Springer Italia 2009.
teaching module Computatonal Fluid Dynamics
Handouts of the course, produced by teachers and made available for downloads from Teaching Portal during the delivery of the Course. Further textbooks suggested for insights:
[1] R. J. LeVeque, Finite Volumes Methods for Hyperbolic Problems, Cambridge University Press, 2002.
teaching module Computational Wind Engineering
Handouts of the course, produced by teachers and made available for downloads from Teaching Portal during the delivery of the Course. Further textbooks suggested for insights:
[1] E. Simiu & R. Scanlan, Wind effects on structures: fundamental and applications to design, 3rd ed., J. Wiley and Sons, 1996.
[2] J.H. Ferziger & M. Perić, Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer Verlag, 1999.
teaching module Numerical Analysis
Handouts of the course, produced by teachers and made available for downloads from Teaching Portal during the delivery of the Course. Further textbooks suggested for insights:
[1] A. Quarteroni, Modellistica Numerica per Problemi Differenziali, Springer Italia 2009.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group essay;
...
L'esame consisterà di un prova orale per ognuno dei tre moduli. La prova orale si pone l’obiettivo di verificare l'acquisizione di tutte le conoscenze e abilità operative dettagliate nella sezione "Risultati dell’apprendimento attesi".
Le prove orali dei moduli di Fluidodinamica Computazionale e di Ingegneria del Vento Computazionale consisteranno nell’illustrazione da parte degli allievi del rapporto finale (vedi punti 6. e 13. del programma) nella forma di una presentazione seminariale in 15 minuti circa e al termine della stessa, prendendo spunto dai risultati presentati, in domande su argomenti del programma.
Il colloquio relativo al Modulo di Analisi Numerica intende accertare la conoscenza delle proprietà matematiche dei metodi numerici visti a lezione, anche in relazione ai risultati computazionali ottenuti nell'ambito della preparazione dei rapporti finali degli altri due moduli.
Il voto finale è stabilito collegialmente da una media pesata delle tre valutazioni.
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: Compulsory oral exam; Group essay;
The exam will consist in an oral test for each module. The exam aims at verifying the students have acquired all the knowledge and abilities detailed in the section "Expected learning outcomes".
The oral tests of the modules Computational Fluid Dynamics and Computational Wind Engineering shall consist in a 15 minutes long presentation of the final report (see items 6. and 13. of the syllabus above) given by the students, followed by questions on the rest of the module program relevant to the topic of the report.
The oral test of the module of Numerical Analysis aims at ascertaining the knowledge of the mathematical properties of the numerical methods described at lessons, also with regard to the results of the computational simulations carried out by the students to prepare the final reports of the other modules.
The final assessment will result from the weighted grades obtained by the student during the oral tests.
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: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
L'esame consisterà di una prova orale per ognuno dei tre moduli. La prova orale si pone l’obiettivo di verificare l'acquisizione di tutte le conoscenze e abilità operative dettagliate nella sezione "Risultati dell’apprendimento attesi".
Le prove orali di entrambi i moduli di Fluidodinamica Computazionale e di Ingegneria del Vento Computazionale dipenderanno dalla modalità di erogazione delle esercitazioni, e consisteranno in:
- illustrazione da parte degli allievi del rapporto finale (vedi punti 6. e 13. del programma) nella forma di una presentazione seminariale in 15 minuti circa e al termine della stessa, prendendo spunto dai risultati presentati, in domande su argomenti del programma (modalità di esame obbligatoria nel caso in cui le esercitazioni siano erogate in presenza);
- illustrazione da parte degli allievi del rapporto finale come al punto precedente, ovvero colloquio con domande sul programma delle lezioni (modalità di esame a scelta dell’allievo, nel caso in cui le esercitazioni siano erogate in remoto).
Il colloquio relativo al Modulo di Analisi Numerica intende accertare la conoscenza delle proprietà matematiche dei metodi numerici visti a lezione, anche in relazione ai risultati computazionali ottenuti nell'ambito della eventuale preparazione dei rapporti finali degli altri due moduli.
Il voto finale è stabilito collegialmente da una media pesata delle tre valutazioni.
Exam: Compulsory oral exam; Group essay;
The exam will consist in an oral test for each module. The exam aims at verifying the students have acquired all the knowledge and abilities detailed in the section "Expected learning outcomes".
The oral tests of both modules Computational Fluid Dynamics and Computational Wind Engineering will depend on the way in which the exercises will be taught, and they will consist in:
- a 15 minutes long presentation of the final report (see items 6. and 13.of the syllabus above) given by the students, followed by questions on the rest of the module program relevant to the topic of the report (required mode, for exercises taught face-to-face);
- presentation of the final report as above, or oral test with questions about the program described at lessons (type of exam chosen by the student, for exercises taught online).
The oral test of the module of Numerical Analysis aims at ascertaining the knowledge of the mathematical properties of the numerical methods described at lessons, also with regard to the results of the computational simulations carried out by the students if they prepare the final reports of the other modules.
The final assessment will result from the weighted grades obtained by the student during the oral tests.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
L'esame consisterà di una prova orale per ognuno dei tre moduli. La prova orale si pone l’obiettivo di verificare l'acquisizione di tutte le conoscenze e abilità operative dettagliate nella sezione "Risultati dell’apprendimento attesi".
Le prove orali di entrambi i moduli di Fluidodinamica Computazionale e di Ingegneria del Vento Computazionale dipenderanno dalla modalità di erogazione delle esercitazioni, e consisteranno in:
- illustrazione da parte degli allievi del rapporto finale (vedi punti 6. e 13. del programma) nella forma di una presentazione seminariale in 15 minuti circa e al termine della stessa, prendendo spunto dai risultati presentati, in domande su argomenti del programma (modalità di esame obbligatoria nel caso in cui le esercitazioni siano erogate in presenza);
- illustrazione da parte degli allievi del rapporto finale come al punto precedente, ovvero colloquio con domande sul programma delle lezioni (modalità di esame a scelta dell’allievo, nel caso in cui le esercitazioni siano erogate in remoto).
Il colloquio relativo al Modulo di Analisi Numerica intende accertare la conoscenza delle proprietà matematiche dei metodi numerici visti a lezione, anche in relazione ai risultati computazionali ottenuti nell'ambito della eventuale preparazione dei rapporti finali degli altri due moduli.
Il voto finale è stabilito collegialmente da una media pesata delle tre valutazioni.
Exam: Compulsory oral exam; Group essay;
The exam will consist in an oral test for each module. The exam aims at verifying the students have acquired all the knowledge and abilities detailed in the section "Expected learning outcomes".
The oral tests of both modules Computational Fluid Dynamics and Computational Wind Engineering will depend on the way in which the exercises will be taught, and they will consist in:
- a 15 minutes long presentation of the final report (see items 6. and 13.of the syllabus above) given by the students, followed by questions on the rest of the module program relevant to the topic of the report (required mode, for exercises taught face-to-face);
- presentation of the final report as above, or oral test with questions about the program described at lessons (type of exam chosen by the student, for exercises taught online).
The oral test of the module of Numerical Analysis aims at ascertaining the knowledge of the mathematical properties of the numerical methods described at lessons, also with regard to the results of the computational simulations carried out by the students if they prepare the final reports of the other modules.
The final assessment will result from the weighted grades obtained by the student during the oral tests.