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Anno Accademico 2009/10
01IIKFQ
Aerodinamica ipersonica
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
D'Ambrosio Domenic ORARIO RICEVIMENTO RC ING-IND/06 42 14 0 0 9
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/06 5 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
Esclusioni:
01LNW
Obiettivi dell'insegnamento
L'aerodinamica ipersonica è quella branca dell'aerodinamica che si occupa dei flussi ad alta velocità, caratterizzati da numeri di Mach in genere superiori a 5. Gli studi di aerodinamica ipersonica sono di fondamentale importanza nel progetto di un veicolo adibito al trasporto spaziale, sia che si tratti di un velivolo suborbitale, che di un lanciatore riutilizzabile (tipo navetta), che di una capsula destinata a penetrare nell'atmosfera di un pianeta. Tipiche applicazioni riguardano il progetto del sistema di protezione termica e la determinazione delle caratteristiche aerodinamiche di un veicolo di rientro atmosferico.
Il corso mira a fornire agli studenti le conoscenze di base nel settore, descrivendo i diversi aspetti, spesso di natura interdisciplinare, che entrano in gioco nell'aerodinamica delle alte velocità. Verranno inoltre brevemente descritti gli strumenti, di natura numerica e sperimentale, adottati per condurre gli studi in questione. Alle descrizioni di natura teorica, trattate con rigore scientifico, verranno sempre affiancati esempi di applicazioni tecnologiche progettate utilizzando gli strumenti teorici trattati nelle varie fasi del corso.
Poiché la disciplina si sviluppa in ambiente internazionale e poiché la stragrande maggioranza delle fonti è in lingua inglese, questo insegnamento intende anche addestrare lo studente alla comunicazione internazionale nel settore e per questa ragione sarà tenuto in lingua inglese.
Competenze attese
Conoscenza dei problemi legati al moto ad alta velocità di un veicolo spaziale all'interno di un'atmosfera planetaria. Capacità di discutere anche in lingua inglese gli argomenti trattati nel corso.
Prerequisiti
Aerodinamica di base. Flussi compressibili. Livello di comprensione di base della lingua inglese parlata e scritta.
Programma
L'insegnamento si divide idealmente in due fasi: nella prima fase vengono trattati quegli aspetti dell'aerodinamica ipersonica non legati ai fenomeni di alta temperatura, mentre nella seconda fase anche questi ultimi vengono introdotti. Nell'ambito di ciascuna fase, si trattano inizialmente quegli aspetti non legati ai fenomeni di trasporto (ipotesi di flusso non viscoso), che vengono considerati in un secondo momento.
Introduzione all'aerodinamica ipersonica: a cosa serve, quali sono i principali fenomeni che la caratterizzano. Flussi ipersonici 'freddi' non viscosi: onde d'urto ed espansioni; il problema del 'blunt body'; interazioni tra onde d'urto; cenni ai moderni metodi computazionali per i flussi ipersonici.
Flussi ipersonici 'freddi' viscosi: richiamo delle equazioni di Navier-Stokes; parametri di similitudine e condizioni al contorno; lo strato limite ipersonico:soluzioni auto-similari per la lastra piana e per il punto di stagnazione; strati limite ipersonici non auto-similari: cenni ai metodi di soluzione. Discussione sul riscaldamento aerodinamico nei flussi ipersonici. Interazione viscosa forte e debole: definizione e descrizione. Interazioni urto/strato limite in aerodinamica ipersonica.
Gasdinamica delle alte temperature: introduzione, richiami sulle miscele gassose, richiami sulle Leggi della Termodinamica; energia interna e gradi di libertà traslazionali, rotazionali, vibrazionali ed elettronici; proprietà termodinamiche di una specie chimica; la costante di equilibrio; calcolo della composizione di equilibrio per una miscela gassosa ad alta temperatura; proprietà termodinamiche di una miscela gassosa chimicamente reagente. Non-equilibrio chimico e vibrazionale: equazioni di bilancio dell'energia vibrazionale; equazioni di bilancio della massa delle specie chimiche.
Flussi non-viscosi in condizioni di equilibrio termochimico: equazioni di governo; calcolo delle condizioni di salto attraverso un urto retto in condizioni di equilibrio termochimico; il problema del blunt body. Flussi non-viscosi in condizioni di non-equilibrio termochimico: equazioni di governo; rilassamento vibrazionale e chimico a valle di un urto retto; il problema del blunt body.
Fenomeni di trasporto in un gas ad alta temperatura. Flussi viscosi ad alta temperatura: equazioni di governo; condizioni al contorno: parete catalitica, non catalitica, parzialmente catalitica. Scambio termico a parete nel punto di stagnazione per un gas reagente.
Cenni sui metodi computazionali moderni per lo studio di flussi ipersonici. Cenni sui metodi sperimentali per lo studio di flussi ipersonici.
Programma: informazioni integrative
Il corso si terrà quasi interamente in lingua inglese, salvo alcuni brevi chiarimenti che verranno ripetuti in italiano nel caso la complessità degli argomenti trattati lo richieda.
Laboratori e/o esercitazioni
Alle lezioni si affiancano esercitazioni da eseguire al calcolatore utilizzando software realizzato e fornito dal docente. Le esercitazioni hanno lo scopo di fare assimilare agli studenti i concetti trattati a livello teorico facendo fare a loro stessi calcoli di aerodinamica ipersonica ed insistendo sull'interpretazione fisica dei risultati ottenuti, basata sulle conoscenze teoriche acquisite nelle lezioni precedenti.
Il problema del blunt body in un flusso ipersonico 'freddo' non viscoso: visualizzazioni di risultati numerici e loro commento.
Lo strato limite ipersonico 'freddo': calcolo di soluzioni self-similari delle equazioni dello strato limite per flussi compressibili; visualizzazione di soluzioni numeriche delle equazioni complete e loro commento.
Calcolo della composizione di equilibrio di una miscela gassosa ad alta temperatura.
Calcolo delle condizioni di salto a valle di un urto retto nell'ipotesi di equilibrio termochimico.
Rilassamento dell'energia vibrazionale e della composizione chimica a valle di un urto retto.
Calcolo del flusso termico a parete nel punto di stagnazione per un gas chimicamente reagente.
Strato limite ipersonico reagente: visualizzazione di risultati numerici e loro commento.
Bibliografia
a) Testo di riferimento per il corso:
Dispense del docente.
b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione:
J. D. Anderson, Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics, McGraw-Hill Series in aeronautical and aerospace engineering, 1989, ISBN 0-07-100668-0.
E. H. Hirschel, Basics of Aerothermodynamics, Springer, 2005, ISBN 3-540-22132-8.
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Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
L'esame è orale e consiste nella risposta a tre domande, due relative agli argomenti trattati durante le lezioni ed una relativa alle esercitazioni. La lingua in cui sostenere l'esame è a scelta dello studente, ma si consiglia comunque di scegliere la lingua nella quale si ha la migliore capacità di espressione. La durata media dell'esame è di circa 30 minuti. Si richiede agli studenti di portare all'esame un piccolo fascicolo contenente brevi relazioni (anche solo una definizione del problema ed una serie di figure con didascalia) sugli argomenti trattati durante le esercitazioni, che essi dovranno commentare in fase di esame.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2009/10
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