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Anno Accademico 2007/08
01AIUGC
Combustione e gasdinamica delle macchine
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Meccanica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Spessa Ezio ORARIO RICEVIMENTO O2 ING-IND/08 36 16 4 0 10
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/08 5 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
Obiettivi dell'insegnamento
Il corso mira a fornire i fondamenti di termodinamica della combustione, della dinamica dei flussi reagenti e della gasdinamica dei motori, presentando le metodologie per la loro analisi sperimentale, modellazione e per le loro applicazioni alla progettazione di sistemi energetici a combustione, con particolare riferimento ai motori a combustione interna.
Competenze attese
Capacitą di eseguire valutazioni preliminari di parametri termodinamici in flussi reagenti, di impiegare i poteri calorifici per la valutazione dei parametri di combustione, di impostare bilanci energetici, valutare i parametri caratteristici delle prestazioni e i rendimenti di sistemi energetici a combustione e di impiegare metologie di fluidodinamica computazionale per la loro progettazione.
Prerequisiti
Termodinamica e meccanica di base. Macchine. Propulsori termici. Fondamenti di calcolo differenziale ed integrale.
Programma
Scenario tecnologico per propulsori termici innovativi: 'Road map' per motori a benzina, diesel e combustibili alternativii (gas naturale, biocombustibili, ...).

Dinamica dei flussi reattivi e teoria della combustione. Leggi di conservazione in sistemi continui multicomponenti reattivi. Fondamenti di cinetica chimica della combustione: velocitą e meccanismi di reazione; velocitą di reazione per collisione; energia di attivazione; espressione di Arrhenius della velocitą di reazione. Reazioni a catena. Combustione premiscelata: propagazione di fiamma laminare e turbolenta. Combustione per diffusione. Accensione. Anomalie e instabilitą di combustione. Combustibili liquidi e gassosi.

Combustione nei motori ad accensione comandata; analisi dei dati di pressione nel cilindro e modelli di rilascio termico; caratterizzazione dei processi di combustione per propagazione di fiamma; interazione fra fluidodinamica e combustione; modellistica e diagnostica della combustione; modelli fenomenologici e multidimensionali.

Combustione nei motori ad accensione per compressione: analisi della pressione in camera e modelli di rilascio termico nei motori diesel; interazione tra fluidodinamica e combustione; modelli fenomenologici di 'spray' e combustione.

Processi di scambio termico nei motori alternativi, loro modellazione ed effetti sulla combustione.

Metodi di diagnostica ed analisi della combustione in propulsori termici. Equazioni fondamentali per una miscela reagente. Modelli di rilascio termico ad una zona e loro aspetti applicativi. Modelli di rilascio termico a due zone e multizona. Velocitą di combustione, di espansione dei gas combusti e velocitą indotta dal fronte di fiamma nei motori ad accensione comandata. Modelli frattali di combustione.

Principi di gasdinamica dei flussi stazionari e non stazionari: aspetti applicativi ai fenomeni di propagazione ondosa in condotti.
Processi di ricambio del fluido: analisi dei processi di alimentazione e scarico nei motori; riempimento del cilindro e parametri influenti.
Formazione della carica e turbolenza in camera di combustione: requisiti sulle caratteristiche della carica in motori ad accensione comandata e per compressione; influenza del moto medio nel cilindro sulla formazione della carica. Turbolenza stazionaria: medie temporale ed 'ensemble'; proprietą della turbolenza. Turbolenza non stazionaria. Metodi di media 'cycle resolved' non convenzionali e confronto con i risultati della media 'ensemble'. Fluttuazioni cicliche del moto medio. Scale temporali e spaziali della turbolenza. e suo ruolo nei processi di alimentazione e combustione nei motori.
Equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds e loro discretizzazione con metodi ai volumi finiti di tipo esplicito ed implicito. Schemi 'upwind' di discretizzazione. Algoritmo iterativo SIMPLE e sua applicazione alla risoluzione numerica delle equazioni di Navier-Stokes. Esempi applicativi alla simulazione del flusso in camera di combustione.

Sistemi di iniezione per motori ad accensione per compressione. Descrizione e funzionamento di un sistema Common Rail: dinamica del sistema e fenomeni di propagazione ondosa. Oscillazioni di pressione ed effetti sulle iniezioni multiple. Analisi sperimentale e modellazione della dinamica di un sistema Common Rail. Modello dell'elettromagnete.
Modelli della fluidodinamica interna a sistemi Common Rail. Applicazioni all'analisi dei moti di propagazione ondosa e delle oscillazioni di pressione indotte.Modelli di calcolo delle prestazioni di sistemi di iniezione del combustibile. Metodi di integrazione numerica delle equazioni differenziali del moto di un fluido. Criteri di discretizzazione. Consistenza, ordine di accuratezza e stabilitą di uno schema numerico. Numero di Courant. Esempi di shemi di discretizzazione alle differenze finite.

Motori ad iniezione diretta di benzina: configurazione del sistema di combustione e di iniezione; processi di formazione della carica; processo di combustione e strategie di controllo.

Motori HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition). Motori HCCi alimentati a benzina: cenni storici; combustione nei motori HCCI a benzina; sviluppi futuri. Motori HCCI alimentati a gasolio: combustione HCCI premiscelata; early direct-injection; late direct-injection. Combustibili lternativi pčer motori HCCI. Cenni sulla cinetica della combustione HCCI.
Laboratori e/o esercitazioni
Le esercitazioni consistono in esercizi numerici applicativi dei concetti appresi a lezione e nell'applicazione dei principi e metodi illustrati a lezione per lo sviluppo di un progetto di base di uno o pił sistemi a combustione.
Sono previste inoltre esercitazioni pratiche di laboratorio sui sistemi di iniezione di tipo Common Rail e sulla diagnostica della combustione in motori alimentati a benzina ed a gas naturale.
Bibliografia
Il materiale didattico verrą fornito dal docente a lezione e sarą in parte disponibile in formato pdf sul portale della didattica. Oltre a tale materiale si consigliano i seguenti testi di riferimento:

S. Eskinazi, 'Vector Mechanics of Fluids' Academic Press, 1977.
S.V. Patankar, 'Numerical Heat Transfer and Fluid Flow', Hemisphere Publishing Corporation, 1980.
D.A. Anderson, J.C. Tannehill, R.H. Pletcher, 'Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer', Hemisphere Publishing Corporation, McGraw-Hill, 1984.
T.Y. Toong, 'Combustion Dynamics ' The Dynamics of Chemically Reacting Fluids', McGraw-Hill, 1983.
A.H. Lefebvre, 'Gas Turbine Combustion', Hemisphere Publishing Corporation, 1983.
J.B. Heywood, 'Internal Combustion Engine Fundamentals', McGraw-Hill, 1988.
G.L. Borman, K.W. Ragland, 'Combustion Engineering', McGraw-Hill, 1998.
N. Peters, 'Turbulent Combustion', Cambridge University Press, 2000.
Controlli dell'apprendimento / Modalitą d'esame
L'esame č orale e consiste in un paio di domande poste ad ogni candidato, sviluppate anche attraverso la discussione o l'impostazione di brevi calcoli.
Note

Programma trasmesso dal Prof. Spessa Ezio (DENER)
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2007/08
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