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Aerodinamica applicata

03EYBLZ

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento

Didattica	Ore
Lezioni	60
Esercitazioni in aula	18
Esercitazioni in laboratorio	2

Docenti

Docente	Qualifica	Settore	h.Lez	h.Es	h.Lab	h.Tut	Anni incarico
D'Ambrosio Domenic	Ricercatore	IIND-01/F	60	18	6	0	6

Collaboratori

Espandi

Docente	Qualifica	Settore	h.Lez	h.Es	h.Lab	h.Tut
Di Cicca Gaetano Maria	Professore Associato	IIND-01/F	0	0	6	0

Didattica

SSD	CFU	Attivita' formative	Ambiti disciplinari
ING-IND/06	8	B - Caratterizzanti	Ingegneria aerospaziale

Date d'appello

Orario delle lezioni

Statistiche superamento esami

Anno accademico di inizio validità

2022/23

Presentazione

La conoscenza dell'aerodinamica è un elemento indispensabile nel bagaglio culturale di un ingegnere aerospaziale. La comprensione degli aspetti fondamentali alla base della generazione delle forze aerodinamiche che agiscono su un aeromobile è necessaria qualunque sia il percorso nel quale i futuri ingegneri si specializzeranno. L'insegnamento "Aerodinamica Applicata", rivolto agli studenti che frequentano il terzo anno della Laurea in Ingegneria Aerospaziale nel percorso "EASA Part 66", si propone di fornire gli elementi base dell'aerodinamica applicata agli aeromobili, dal regime subsonico fino al regime supersonico. Dopo la derivazione, l'analisi e la spiegazione del significato fisico delle equazioni che governano l'aerodinamica, il corso si concentrerà sui principali modelli che portano alla determinazione delle forze sui profili alari e sulle ali. A differenza dell'insegnamento "Aerodinamica" rivolto al percorso "generalista", nell'insegnamento "Aerodinamica Applicata" viene anche proposta un'introduzione ad argomenti che saranno in seguito in parte approfonditi nell'eventuale successivo percorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale, quali l'aerodinamica del regime transonico e supersonico, e i metodi ingegneristici di stima delle forze aerodinamica su una configurazione di velivolo completo. Le esercitazioni compendiano i temi descritti a lezione con applicazioni pratiche nelle quali gli studenti applicano i concetti appresi a lezione per ottenere risultati quantitativi in applicazioni realistiche, appoggiandosi a strumenti analitici e numerici.

Knowledge of aerodynamics is an indispensable element in the cultural background of an aerospace engineer. Understanding the fundamental aspects underlying the generation of aerodynamic forces acting on an aircraft is necessary, whatever path future engineers will choose. The teaching "Applied Aerodynamics," aimed at students in the third year of the Aerospace Engineering degree in the "EASA Part 66" pathway, aims at providing the fundamental elements of aerodynamics applied to aircraft, from the subsonic to the supersonic regime. After the derivation, analysis, and explanation of the physical meaning of the equations governing aerodynamics, the course will focus on the principal models leading to the determination of forces on airfoils and wings. In contrast to the "Aerodynamics" course, which is part of the "generalist" track, the "Applied Aerodynamics" course also offers a preliminary introduction to topics covered in the eventual, subsequent Master of Science in Aerospace Engineering degree track. These are the aerodynamics of the transonic and supersonic regimes and engineering methods of estimating aerodynamic forces on a complete aircraft configuration. Exercises summarize the topics described in the lectures with practical applications where students apply the concepts they learned to obtain quantitative results in actual cases, relying on analytical and numerical tools.

Risultati attesi

Al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere le leggi di conservazione che governano l'aerodinamica e il loro significato fisico; - conoscere il significato dei parametri adimensionali che definiscono i vari regimi aerodinamici e consentono in alcuni casi di applicare ipotesi semplificative; - conoscere i principali modelli di fluido e i loro limiti di applicazione; - conoscere i principali modelli matematici adeguati alla valutazione preliminare delle forze e dei momenti aerodinamici su profili alari e ali; - conoscere gli effetti della viscosità di un fluido su un campo aerodinamico e in particolare nella generazione delle forze aerodinamiche; - conoscere gli aspetti fondamentali dei regimi di moto subsonico incompressibile e compressibile, transonico e supersonico; - applicare le conoscenze acquisite per risolvere problemi del tipo proposto durante le esercitazioni.

Prerequisiti

Elementi di calcolo differenziale e integrale e principi di fisica di base acquisiti nei vari insegnamenti di matematica e fisica del biennio precedente e nell'insegnamento "Termodinamica applicata e trasmissione del calore".

Programma

L'insegnamento è articolato in sette parti. Parte I - Le equazioni di governo della fluidodinamica per un fluido generico (circa 12 ore). Parte II - Le equazioni di governo della fluidodinamica nella loro approssimazione per un fluido non viscoso e incomprimibile (circa 12 ore). Parte III. Aerodinamica di un fluido non viscoso e incomprimibile applicata a flussi bidimensionali e in particolare ai profili alari (circa 12 ore). Parte IV. Effetti diffusivi (viscosi) in prossimità di parete, teoria dello strato limite, i concetti di flusso laminare e turbolento e di transizione tra flusso laminare e turbolento (circa 16.5 ore). Parte VI. Estensione dell'aerodinamica non viscosa e incomprimibile (Parte III) a flussi tridimensionali, in particolare alle ali dei velivoli (circa 6.0 ore). Parte VI. Effetti di comprimibilità nei gas in regime subsonico, transonico e supersonico. Introduzione alle onde d'urto (circa 3 ore). Parte VII. Metodi per la stima delle forze aerodinamica agenti su un velivolo completo (circa 3 ore). Alle esercitazioni vengono dedicate circa 15 ore.

1) Fluid as a continuous medium. Balance equations in integral, differential, conservative and non-conservative form. Normal and shear stresses. Normalized equations. The speed of sound. Reynolds, Froude, Mach and Prandtl numbers. The entropy transport equation. The Crocco equation. 2) The ideal fluid approximation. Entropy in an ideal fluid. Streamlines, pathlines, streaklines and timelines. The Bernoulli equation. The Laplace equation. The vorticity equation. Stagnation quantities in compressible flows. 3) Two-dimensional flows of an ideal fluid. Steady and incompressible flow conditions. Steady, incompressible and irrotational flow conditions. The velocity potential. The stream function. Elementary flows: uniform flow, source, vortex, doublet. Freestream + doublet: the flow on a non-lifting cylinder. Pressure coefficient. The d'Alembert 's paradox. Freestream + doublet + vortex: the flow on a lifting cylinder. The Kutta-Joukowski theorem. Airfoils: nomenclature and aerodynamic forces. The pressure center. The stall. The Buckingham Pi theorem. Low speed flow on airfoils: the vortex surface concept, circulation distribution, Kutta condition, Kelvin's theorem and initial vortex. Thin airfoil theory: basic hypotheses, distributions of sources and vortices and their use, tangency condition and linearization of the pressure coefficient. Flow on a flat plate with non-zero angle of attack: calculation of the circulation distribution and verification of the result; thin airfoils theory applied to a flat plate: verification of the Kutta condition, calculation of lift, lift coefficient and slope of the cl:alpha plot, moment and moment coefficient, center of pressure position and aerodynamic center. Symmetrical airfoils. Airfoils with curved mean line: calculation of lift and moment coefficients, ideal angle of attack, center of pressure and aerodynamic center. Distribution of sources. Airfoil stall, effect of thickness. High-lift devices. 4) Introduction to viscous flows, effect of viscosity, dynamic and kinematic viscosity and their dependence on temperature, effect of thermal conductivity, dependence of thermal conductivity on temperature. No-slip condition, separation, form drag and skin friction drag, thermal boundary layer, turbulence, transition to turbulence, effect of turbulence on skin friction and form drag. Boundary layer equations, derivation of the boundary layer equations for compressible flows: mass balance, momentum and energy equations. Kinematic and thermal boundary layers. Boundary layer properties: boundary layer thickness, displacement thickness, momentum thickness, form factor, skin friction, local and average skin friction coefficient, drag coefficient. Boundary layer equations for incompressible flows, boundary layer on a flat plate at zero angle of attack, Blasius transformation, Blasius equation, self-similar velocity profile and Blasius solution, properties of the boundary layer on a flat plate at zero angle of attack. Boundary layer transition, factors that influence the transition. the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, properties of the time averaging operator, derivation of the Reynolds stresses. The closure problem. Boussinesq model for the Reynolds stresses. Hierarchy of turbulent flow models: overview of DNS, LES and RANS. Velocity profile in the turbulent boundary layer. Boundary layer equations for turbulent flow. Turbulent boundary layer on a flat plate: formulas for the various coefficients. Transition Reynolds number and calculation of drag on a flat plate with transition. The thermal boundary layer. Prandtl number interpretation. Kinematic and thermal boundary layer thickness ratio as a function of the Prandtl number. Recovery enthalpy, recovery temperature and recovery factor. Reference temperature method for the analysis of compressible boundary layers or cold/hot wall boundary layers. The von Karman integral boundary layer equation. Thwaites method for the solution of the integral von Karman equation for laminar boundary layers. Head method for the solution of the integral von Karman equation for turbulent boundary layers. Michel's criterion for laminar / turbulent transition. 5) The wing: geometric definitions, tip vortices, downwash and induced angle of attack. Induced drag. Profile drag. Biot-Savart law for a curved vortex. Velocity field induced by an infinite straight vortex. Velocity field induced by a semi-infinite vortex. Helmholtz's theorems. Prandtl theory: horseshoe vortex. Velocity distribution induced by a single horseshoe vortex. The horseshoe vortex system. Continuous distribution of horseshoe vortices: downwash velocity and induced angle of attack, effective angle of attack, Prandtl's integro-differential equation and its meaning, evaluation of lift, induced drag and related coefficients. Elliptical distribution of lift: evaluation of downwash, induced angle of attack, lift, induced drag and related coefficients. Induced angle of attack and induced drag coefficient as a function of lift coefficient and wing aspect ratio. Shape of a wing with elliptical lift distribution. General solution of the Prandtl's integral-differential equation: calculation of lift, induced angle of attack and induced drag coefficient. General lift distribution on a wing: efficiency factor of the wing, slope of the lift / angle of attack curve for a wing with finite aspect ratio. 6) Definition and derivation of the speed of sound. Definition and physical meaning of the Mach number. Shock waves: definition and examples. derivation of jump conditions through a normal shock wave, derivation of the jump conditions through an oblique shock wave. Thin airfoils with small angle of attack in compressible flows: remarks on the governing equations and their approximations. The Prandtl-Glauert correction. Transonic flow and critical Mach number. Calculation of the critical Mach number. Effect of thickness. The drag rise phenomenon. Supercritical airfoils. Swept wings and critical Mach number. Slope of the cL / angle of attack curve in compressible regime and for swept wings. Linearized supersonic flow: basics, lift, drag and moment coefficients, position of the aerodynamic center, lift and drag coefficients for airfoils and wings (review). Mach number effects. 7) Forces on a complete aircraft. Contribution of the different aircraft parts. Induced and parasite drag. Parasite drag breakdown and empirical formulas. Wave drag and area rule. The Sears-Haack's body. Wave drag for bodies with area distribution different from the Sears-Haack body.

Sustainable development goals

Costruire un'infrastruttura resiliente e promuovere l'innovazione ed una industrializzazione equa, responsabile e sostenibile

Note

Organizzazione dell'insegnamento

L’insegnamento è strutturato in: - circa 64.5 ore di lezione in aula, mirate allo sviluppo delle conoscenze elencate nel programma del corso; - circa 15 ore di esercitazione in aula mirate alla soluzione di esercizi applicativi basati sulle conoscenze apprese a lezione; in alcune esercitazioni le applicazioni richiederanno l'uso del programma Matlab o di modelli numerici ridotti come quelli implementati in XFOIL; - circa 2 ore di visita alla galleria del vento del Politecnico di Torino;

Bibliografia

Testi di riferimento: - J. Anderson, Fundamentals of Aerodynamics (può essere usata qualsiasi edizione), McGraw-Hill - G. Iuso, F. Quori, Gasdinamica. Problemi risolti e richiami di teoria, Levrotto & Bella Testi consigliati per approfondimenti: - D.P. Raimer, Aircraft Design: A Conceptual approach, AIAA Educational Series - Barners W. McCormick, Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics, John Wiles & Sons

Criteri, regole e procedure per l'esame

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

Exam: Written test; Compulsory oral exam;

... Criteri, regole e procedure per l'esame L'esame serve a verificare l’adeguata conoscenza e comprensione degli argomenti trattati durante il corso e la capacità di utilizzare tale conoscenza per la valutazione quantitativa delle caratteristiche aerodinamiche di un corpo. L'esame nel primo appello che segue immediatamente la conclusione delle lezioni consiste in uno scritto costituito da due parti. La prima parte è organizzata come un questionario, in parte con risposte a scelta multipla, in parte con brevi risposte aperte. Non viene data la possibilità di utilizzare materiale didattico. La seconda parte dello scritto prevede la soluzione di 3 problemi per il quale viene fornito un formulario compreso nel testo della prova. La prova scritta ha una durata complessiva variabile tra 1 ora e mezza e 2 ore. Il voto massimo previsto è 30 e lode. Per gli appelli successivi al primo è previsto solo l'esame orale, che verte sulla discussione di argomenti trattati a lezione, ma in cui viene anche proposta la soluzione di un esercizio. La durata dell'esame orale è circa 30 minuti.

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.