L'insegnamento è composto da due moduli, il primo riguardante alcuni aspetti avanzati della fisica tecnica, il secondo riguardante l'utilizzo di metodi numerici per la soluzione di problemi ingegneristici. In particolare, quale esempio applicativo, le tecniche di modellazione e i metodi numerici saranno applicati a problemi di fisica tecnica. Il modulo di Applicazioni avanzate di fisica tecnica ha lo scopo di completare le conoscenze nel campo della termodinamica applicata, fornire le conoscenze teoriche richieste nella progettazione di dispositivi sotto gli aspetti specifici dello scambio termico e della fluidodinamica - anche tramite modellazione numerica - e per la valutazione delle prestazioni termiche ed energetiche di componenti e sistemi meccanici; inoltre sono forniti i concetti base dell'acustica ambientale e dell'illuminotecnica. Il modulo di Modelli e metodi numerici ha lo scopo di fornire gli strumenti per lo studio sistematico e critico dei principali modelli numerici a derivate parziali utilizzati in vari campi dell'ingegneria, risolvibili tramite opportune metodologie di discretizzazione numerica, fornendo gli strumenti per valutarne le caratteristiche essenziali, dalle quali dipende la qualità e l'affidabilità della risposta. In particolare saranno analizzati i modelli presentati nel modulo di applicazioni avanzate di fisica tecnica.

Conoscenze approfondite delle equazioni che governano la termomeccanica dei corpi continui, termodinamica e termofluidodinamica, con particolare riferimento al concetto di exergia. Conoscenza degli elementi base dell'acustica ambientale e dell'illuminotecnica, con particolare riferimento all'interazione con l'utente finale. Conoscenza delle principali metodologie di discretizzazione dei problemi ai valori al bordo e iniziali alle derivate parziali di tipo ellittico, parabolico e iperbolico. Conoscenza delle proprietà matematiche fondamentali (quali consistenza, stabilità e convergenza) dei metodi numerici considerati. Capacità di tradurre i modelli numerici in sistemi di equazioni algebriche e di risolvere tali sistemi. Capacità di utilizzare gli strumenti teorici nello studio termico ed energetico dei sistemi reali. Capacità di eseguire l'analisi energetica ed exergetica di sistemi reali complessi, anche con l’ausilio di opportuni modelli matematici, e di gestire sistemi di trasformazione dell'energia complessi. Capacità di interpretare correttamente la normativa ed eseguire calcoli di massima in campo illuminotecnico ed in acustica ambientale. Capacità di implementare in ambiente MATLAB(r), o similare, alcuni modelli numerici che descrivono comportamenti fisici notevoli (in particolare quelli rilevanti per la fisica tecnica) e di valutarne le prestazioni pratiche in relazione al contesto teorico. Capacità di applicare gli strumenti numerici studiati alla simulazione del comportamento di semplici ma significativi problemi di fisica tecnica.

Conoscenza dei concetti di base di termodinamica e termocinetica normalmente forniti negli insegnamenti di I livello. Conoscenza dei concetti base di analisi matematica, algebra lineare e geometria normalmente forniti negli insegnamenti di I livello. Conoscenza delle tecniche di programmazione informatica e capacità di usare un linguaggio di programmazione quale C, C++, MATLAB(r) o Python.

Per quanto riguarda il modulo di Applicazioni Avanzate di Fisica Tecnica, vi sono essenzialmente quattro capitoli. TERMOMECCANICA DEI CORPI CONTINUI. Deduzione dell'equazione di continuità mediante il bilancio elementare. Deduzione dell'equazione della quantità di moto mediante bilancio elementare. Deduzione dell'equazione delle onde. Collegamento con la parte di acustica. Modeste deviazioni dalle condizioni di equilibrio locale. Relazioni fenomenologiche di Navier-Stokes-Fourier, relative al tensore degli sforzi ed al flusso termico. Generalizzazione dei risultati ottenuti per i gas ideali ad altri tipi di fluidi. Adimensionalizzazione delle equazioni. Numeri adimensionali significativi e regimi fisici. Limite incomprimibile. Equazione dell'energia cinetica e dell'entalpia per corpo continuo. Primo principio della termodinamica per un corpo continuo. Generalizzazione del concetto di entropia per corpo continuo. Generalizzazione della relazione di Gibbs. Secondo principio della termodinamica per un corpo continuo. Cenni alla termodinamica dei processi irreversibili. Deduzione delle equazioni integrali di bilancio per sistemi chiusi e per sistemi aperti. Formulazione tecnica delle equazioni integrali. Significato fisico delle irreversibilità. Calcolo esatto delle irreversibilità e loro stima mediante formule pratiche. Compatibilmente ai vincoli temporali ed eventualmente nella forma di un seminario tematico, cenni al fenomeno della turbolenza. Scale caratteristiche del fenomeno, deduzione delle equazioni per le quantità medie e problema della chiusura. Ipotesi della viscosità addizionale indotta dalla turbolenza e relativa modellazione. TERMODINAMICA. Bilancio di exergia in un sistema reversibile. Exergia interna e exergia per un gas ideale. Il teorema di Guy-Stodola. Significato fisico dell'exergia. Efficienza di secondo principio. Esempi di applicazioni dell'equazione dell'energia utilizzabile e l'analisi exegetica. Diagrammi exergetici. Termodinamica delle miscele di gas: modelli di Gibbs-Dalton e Amagat-Leduc, proprietà delle miscele di gas. Exergia delle miscele di gas. Diagrammi termodinamici. Aria umida: grandezze principali e exergia dell'aria umida. Diagrammi psicrometrici. Psicrometro. Principali trasformazioni dell'aria umida: miscela di due correnti di aria umida, riscaldamento e raffreddamento a titolo costante, raffreddamento e deumidificazione. Umidificazione adiabatica. Bilancio termo-igrometrico di un ambiente; situazione invernale e estiva. Retta di carico. Centrale di condizionamento per impianti a tutta aria con e senza ricircolo. ILLUMINOTECNICA. La luce, la radiazione elettromagnetica, grandezze caratteristiche; radiazione diffusa. percezione visiva e sistema fotometrico. Definizione delle unità di misura del sistema fotometrico. Sorgente puntiforme. Intensità luminosa. Indicatrice di emissione. Flusso emesso da sorgente puntiforme con indicatrice di emissione nota. Illuminamento e prima formula di Lambert. Emettitore di Lambert ed Emettenza. Efficienza di una lampada elettrica. ACUSTICA. Introduzione, onde elastiche, onde piane, sinusoidali, longitudinali e progressive. Equazione dell'onda di spostamento. Onda di pressione e sua equazione. Velocità di propagazione delle onde elastiche; calcolo per il caso della propagazione in aria. Potenza meccanica trasportata dall'onda, intensità dell'onda e sue relazioni con resistenza acustica e pressione efficace. Intensità e sensazioni sonora, legge di Weber-Fechner. Costruzione dell'audiogramma normale. Campo dell'udibile, sensazione e livello dell'intensità, decibel. Curve isophon. Bande di frequenza, ottave, livello di pressione, curva di ponderazione A. Interazione tra onde elastiche e materiali, fattori di riflessione, trasmissione, assorbimento, assorbimento apparente. Effetto della frequenza. Fattore di assorbimento apparente di varie pareti. Acustica degli ambienti aperti. Campo sonoro libero. Campo sonoro riverberato, coda sonora. Bilancio dell'energia acustica nell'emissione e nella riverberazione; tempo di riverberazione convenzionale, formula di Sabine. Isolamento acustico; potere fonoisolante; caso di parete piana e legge della massa e delle frequenze. Per quanto riguarda la parte relativa ai modelli e metodi numerici il programma di lezioni prevede la trattazione degli argomenti di seguito esposti. Concetti generali sulle equazioni a derivate parziali; condizioni al bordo e iniziali; proprietà delle soluzioni. Problemi ellittici; esempi di diffusione stazionaria e di equilibrio di una membrana elastica; discretizzazione mediante differenze finite centrate; formulazione variazionale; discretizzazione mediante elementi finiti. Implementazione delle condizioni al bordo di tipo Dirichlet, Neumann o Robin. Riduzione dei problemi discreti a problemi algebrici; proprietà delle corrispondenti matrici. Proprietà matematiche di consistenza, stabilità e convergenza degli schemi numerici. Analisi modale; le vibrazioni libere di una membrana; discretizzazione di problemi agli autovalori. Formulazione e discretizzazione di problemi evolutivi; problemi parabolici e iperbolici; l’equazione del calore, l’equazione delle onde; concentrazione della massa; tecniche di avanzamento in tempo; stabilità asintotica e scelta del passo temporale; velocità di convergenza in spazio e in tempo. Problemi di convezione-diffusione; numero di Péclet griglia; confronto tra discretizzazioni centrate e upwind. Leggi di conservazione e di bilancio; caratteristiche; formulazione integrale; discretizzazione mediante volumi finiti; medie di cella e flussi numerici; rassegna dei principali schemi classici; legami con le discretizzazioni a differenze finite; numero di Courant e condizione CFL; diffusione e dispersione numerica; stabilità e convergenza.

Oltre alle lezioni sono previste le seguenti attività formative. Per quanto riguarda la parte di Applicazioni Avanzate di Fisica Tecnica è previsto lo svolgimento di un progetto applicativo. Gli studenti sono suddivisi tra 10 e 20 squadre in base alla numerosità della classe, per altrettanti temi applicativi. Per ciascun tema, le relazioni dovranno contenere (a) un calcolo di fuori progetto; (b) un esempio di analisi exergetica e (c) i dettagli termotecnici del dimensionamento dei sistemi considerati. Per lo svolgimento del progetto è fornito materiale didattico durante sul portale della didattica. Sono inoltre previste esercitazioni in aula finalizzate alla presentazione delle linee guida per lo svolgimento del progetto e di alcuni esempi applicativi. Per la parte di acustica applicata, è prevista un’esercitazione pratica in aula, tesa alla valutazione delle prestazioni acustiche di un’aula di lezione. In particolare, questa esperienza è formata da tre esperienze specifiche: verifica del regime sonoro, misura del tempo sonoro di riverberazione quale indice della capacità di assorbimento acustico dell’ambiente ed infine misura dei livelli di pressione sonora mediante fonometro. Per quanto riguarda la parte di metodi e modelli numerici, sono previsti esercizi e attività di laboratorio sui seguenti argomenti: Generazione di griglie; costruzione delle matrici di massa e di rigidezza in varie situazioni; risoluzione iterativa di sistemi algebrici di grandi dimensioni con matrici sparse; calcolo di configurazioni di equilibrio in diversi problemi fisici; analisi del comportamento dell’errore di discretizzazione spaziale. Implementazione di problemi agli autovalori e analisi modale. Implementazione di schemi di avanzamento in tempo; studio della stabilità degli schemi e del comportamento dell’errore temporale; calcolo dell’evoluzione della temperatura di un corpo conduttore di calore, e della propagazione di onde in un mezzo elastico. Implementazione di schemi numerici per le leggi di conservazione e studio sperimentale del loro comportamento.

- P. Asinari, E. Chiavazzo, An Introduction to Multiscale Modeling with Applications, Società Editrice Esculapio, Bologna 2013. - M. Calì, P. Gregorio, "Termodinamica" Esculapio, Bologna 1997. - A. Bejan, "Advanced Engineering Thermodynamic" John Wiley & Sons 1997. - G. Guglielmini, C. Pisoni, Introduzione alla trasmissione del calore, Casa Editrice Ambrosiana, 2002. - G. Comini, G. Cortella, Fondamenti di trasmissione del calore, Servizi Grafici Editoriali, 2001. - C. Canuto, "Metodi e Modelli Numerici ", note delle lezioni con esercizi, disponibile online sul Portale della Didattica. - A. Quarteroni, "Numerical Models for Differential Problems", Springer 2014.

Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale in gruppo;

Exam: Computer lab-based test; Written test; Compulsory oral exam; Group project;

... L'esame consta di una parte relativa al modulo di modelli e metodi numerici e di una parte relativa al modulo di applicazioni avanzate di fisica tecnica. La valutazione finale dell’esame è costituita dalla media aritmetica (arrotondata per eccesso) dei due punteggi parziali conseguiti nei due moduli. Per quanto riguarda il modulo di modelli e metodi numerici, la procedura di valutazione si basa sulle seguenti prove: a) risolvere alcuni esercizi sui principali argomenti trattati nel modulo (durata 60 minuti), b) rispondere, mediante l'uso di MATLAB, a una serie di domande a risposta multipla (durata 45 minuti). Non è consentito l’uso di alcun materiale didattico in tali prove. Nella formulazione del voto di scritto, si terrà anche conto della c) facoltativa preparazione di un progetto computazionale durante il semestre, svolto da piccoli gruppi di studenti su una problematica numerica collegata al progetto applicativo del modulo di applicazioni avanzate di fisica tecnica, e valutato sulla base dell’apporto individuale di ciascuno studente. Le prove a) e b) hanno un peso relativo di 2/3 e 1/3 e permettono complessivamente di arrivare fino a 28 punti, mentre la prova c) consente di andare oltre 28, inclusa la lode. La votaziona conseguita nelle prove scritte verrà comunicata agli studenti tramite il Portale della Didattica, insieme all’indicazione di quando e dove gli studenti potranno visionare le loro prove. Coerentemente con i risultati di apprendimento attesi dichiarati, la parte scritta dell’esame intende accertare il raggiungimento dei seguenti obbiettivi: 1. Conoscenza delle principali metodologie di discretizzazione dei modelli matematici e loro traduzione in sistemi di equazione algebriche. Questo viene stabilito attraverso la prova a). 2. Capacità di implementare in ambiente MATLAB(r) i modelli numerici studiati. Questo viene stabilito principalmente attraverso la prova b), ma anche attraverso la prova c). 3. Capacità di applicare gli strumenti numerici studiati alla simulazione del comportamento di problemi di fisica tecnica. Questo viene stabilito attraverso la prova c) Per quanto riguarda il modulo di applicazione avanzate di fisica tecnica, l’esame in presenza segue la stessa procedura già descritta nella sezione sulla modalità mista, con la differenza che la prima parte dell'esame sarà svolta in presenza in un'aula attrezzata oppure in un laboratorio informatizzato.

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.