IDRAULICA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2019/2020
- Docente
- ALESSANDRO VALIANI
- Crediti formativi
- 12
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ICAR/01
Obiettivi formativi
- Il corso rappresenta il primo insegnamento di Ingegneria Idraulica ed affronta i principali concetti fondamentali inerenti le caratteristiche fisiche dei fluidi, le forze da questi esercitate in condizioni statiche, il loro movimento e la loro interazione con corpi solidi e dispositivi di interesse tecnico. Tratta altresì alcuni problemi tecnici tipici, ancorché con una impostazione essenzialmente di base, quali il dimensionamento e funzionamento di condotte in pressione e di canali a superficie libera in moto uniforme, permanente e vario.
L’obiettivo principale del corso consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio dei sistemi di forze che agiscono su dispositivi ed infrastrutture idrauliche, nonché acquisire la necessaria padronanza dei bilanci di energia e quantità di moto fondamentali nei fenomeni fisici che governano il moto dei fluidi nelle applicazioni idrauliche di interesse tecnico.
Le principali conoscenze che si dovrebbero acquisire sono:
Caratteristiche fisiche (di carattere meccanico) dei fluidi, con particolare riguardo ai fluidi incomprimibili.
Equazioni fondamentali che governano la statica, la cinematica e la dinamica dei fluidi incomprimibili o debolmente comprimibili.
Analisi differenziale ed integrale dei problemi di meccanica dei fluidi.
Equazioni fondamentali che governano il moto uniforme, permanente e vario nelle condotte in pressione.
Equazioni fondamentali che governano il moto uniforme, permanente e vario nei corsi d’acqua (artificiali e naturali) a superficie libera.
Elementi essenziali dei moti di filtrazione
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) che si dovrebbero acquisire sono:
Stimare le spinte idrostatiche agenti su superfici piane e curve.
Applicare bilanci meccanici di massa, energia, quantità di moto a sistemi semplici di interesse tecnico, per stimare le spinte dinamiche su dispositivi di varia natura e gli scambi di energia meccanica tra correnti e pareti fisse o mobili.
Valutare le resistenze al moto nei moti esterni ed interni, sia laminari che turbolenti.
Dimensionare e verificare sistemi semplici di condotte in pressione in moto permanente e vario.
Dimensionare e verificare canali a superficie libera in moto uniforme e permanente. Prerequisiti
- Si sottolinea l’importanza fondamentale di una approfondita attenzione a questo aspetto. E’ necessario avere acquisito e assimilato i contenuti dei corsi di Analisi Matematica I e di Fisica generale, ed è vivamente consigliato avere acquisito e assimilato i contenuti dei corsi di Analisi Matematica II e di Meccanica Razionale. In particolare si richiede una capacità di gestire propriamente:
calcolo differenziale e integrale;
analisi dei campi vettoriali (teoremi di Gauss, del gradiente, della divergenza, del rotore o di Stokes);
bilanci di forze e di momenti, di quantità di moto e di momento di quantità di moto, energia meccanica potenziale, cinetica e totale;
campi di forze conservativi e non conservativi, lavoro ed energia;
meccanica del corpo rigido;
geometria delle masse e geometria delle aree. Contenuti del corso
- INTRODUZIONE. PROPRIETA' FISICHE DEI FLUIDI [4 h].
Definizione di fluido. Equazione di stato. Gas perfetti, fluidi barotropici, fluidi incomprimibili. Modello continuo. Densità e peso specifico. Compribilità cubica. Tensione superficiale. Viscosità dinamica e cinematica. Pressione di vapore.
ANALISI DELLA TENSIONE [1 h]
Teorema di Cauchy. Tensore degli sforzi.
IDROSTATICA [15 h]
Pressione isotropica. Equazioni cardinali ed indefinite. Carico piezometrico. Spinte idrostatiche su superfici piane e gobbe comunque orientate, su corpi immersi e galleggianti.
CINEMATICA DEI FLUIDI [3 h]
Traiettorie, linee di corrente, linee di fumo. Derivate sostanziali. Accelerazione. Tensore dei gradienti di velocità.
MECCANICA DEI MEZZI CONTINUI [3 h]
Teorema del trasporto. Equazione cardinale e indefinita di continuità. Prima e seconda equazione cardinale e indefinita del moto.
DINAMICA DEI FLUIDI IDEALI [10 h]
Equazioni di Eulero. Condizioni al contorno. Carico totale. Teorema di Bernoulli.
EQUAZIONI INTEGRALI DELLA DINAMICA DEI FLUIDI [3 h] Equazione di continuità. Portata. Teorema della quantità di moto e del momento della quantità di moto. Correnti. Foronomia. Moti esterni. Getti liberi nell'aria. Spinte dinamiche, macchine idrauliche.
ANALISI DIMENSIONALE [3 h]
Teorema Pi greco. Numeri puri.
DINAMICA DEI FLUIDI VISCOSI [5 h]
Postulati di Stokes/Newton. Equazioni di Navier-Stokes. Condizioni al contorno. Moti laminari uniformi in condotte circolari. Pendenza motrice, cadente effettiva, coefficiente di resistenza.
MOTI TURBOLENTI [3 h]
Equazioni di Reynolds. Moti mediamente uniformi. Teoria della lunghezza di mescolamento.
MOTO UNIFORME NELLE CONDOTTE IN PRESSIONE [2 h]
Distribuzione di velocità e delle tensioni. Perdite di carico distribuite e leggi di resistenza (Coolebrook/Moody).
MOTO PERMANENTE NELLE CONDOTTE IN PRESSIONE [8 h] Variazioni di sezione. Perdite localizzate. Condotte in serie ed in parallelo. Sifoni. Reti di condotte a rami ed a maglie. Erogazioni di portata. Esempi applicativi. Impianti di pompaggio e di turbinaggio.
MOTO VARIO NELLE CONDOTTE IN PRESSIONE [10 h]
Equazioni di continuità e del moto. Oscillazioni di massa. Oscillazioni elastiche. Equazioni semplificate. Soluzione generale. Condizioni iniziali e al contorno. Manovre brusche e lente. Sovrappressioni. Equazioni concatenate di Allievi. Metodo grafico. Metodo delle caratteristiche. Condizioni al contorno.Condotte prementi con cassa d'aria.
MOTO UNIFORME DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA [5 h]
Carico specifico e profondità critica. Correnti veloci e lente. Pendenza critica. Calcolo delle resistenze. Scale di deflusso. Alvei a sezione composita.
MOTO PERMANENTE DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA [15 h]
Alvei cilindrici. Profili di rigurgito. Condizioni al contorno. Soluzione di Bresse. Alvei non prismatici. Risalto idraulico. Profili di rigurgito. Ostacoli, stramazzi.
MOTO VARIO DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA [3 h] Propagazione di perturbazioni ondose. Metodo delle caratteristiche. Condizioni al contorno. Crollo diga.
MOTI DI FILTRAZIONE [3 h]. Caratteristiche del fluido e dell'ammasso. Legge di Darcy. Trincea filtrante in pressione ed a superficie libera. Pozzo in falda artesiana e pozzo in falda freatica. Moto permanente bidimensionale in falda freatica.
STRATO LIMITE [5 h]
Teoria dello strato limite laminare su lastra piana liscia. Problemi di scala e analisi dimensionale. Soluzione di Blasius. Bilancio integrale di quantità di moto e conseguente soluzione. Problemi di separazione. Resistenza del cilindro e della sfera.
SVOLGIMENTO DI PROVE SCRITTE D'ESAME [16 h].
Prova scritta finale (pre-appello per studenti frequentanti ) [3 h]. Metodi didattici
- Il corso è organizzato nel seguente modo:
lezioni frontali sui contenuti del corso;
esempi applicativi volti ad illustrare le applicazioni pratiche delle nozioni impartite;
supporto allo svolgimento (incluso i calcoli numerici) di esercizi tratti dalle prove d’esame degli AA precedenti. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
L’esame è diviso in due parti, una prova scritta ed una prova orale, che hanno luogo in date diverse.
La prova scritta, della durata di tre ore, consiste nello svolgimento di tre esercizi, di identico peso nella valutazione, inerenti: 1) il calcolo della spinta idrostatica su superfici curve; 2) l’applicazione del teorema di Bernoulli, o comunque di opportuni bilanci energetici, ed il calcolo delle spinte dinamiche utilizzando bilanci integrali di quantità di moto; 3) il calcolo delle resistenze in sistemi semplici di condotte e/o il calcolo di idraulico di reti di condotte in moto permanente. Un risultato di almeno 16/30 nella prova scritta è condizione necessaria per l’ammissione alla prova orale. La validità della prova scritta, se positiva (valutazione maggiore o uguale a sufficiente), è di dodici mesi. La validità della prova scritta, se non completamente positiva (valutazione quasi sufficiente o ammissione con riserva) scade alla data della prova scritta successiva.
La prova orale verte prevalentemente sugli argomenti del corso non affrontati nella prova scritta. In particolare, verranno in ogni caso affrontati il tracciamento dei profili di corrente a superficie libera in moto permanente nei canali, ed il calcolo delle sovrappressioni nei problemi di colpo d’ariete. Verrà inoltre affrontata la trattazione di un argomento a carattere maggiormente teorico. La valutazione finale consiste in un voto, espresso in trentesimi, non corrispondente alla media aritmetica tra prova scritta e prova orale ma ad un giudizio globale sulle prove d’esame (comunque non inferiore alla suddetta media aritmetica). Il candidato che si ritiri durante la prova orale deve ripetere la prova scritta, ma solo se il risultato di tale prova è non completamente positivo (inferiore a sufficiente). Testi di riferimento
- Testo di riferimento:
Appunti del corso.
Svolgimento di prove scritte d’esame: vedi sito dell’insegnamento.
Testi di approfondimento:
MONTEFUSCO L., Lezioni di Idraulica. Pitagora Editrice, Bologna, 2005.
MARCHI E., RUBATTA A., Meccanica dei fluidi. Principi ed applicazioni idrauliche. UTET, 1981.
MOSSA M., PETRILLO A. F., Idraulica, CEA, Milano, 2013.
CITRINI D., NOSEDA G., Idraulica. CEA, 1987.
ALFONSI G., ORSI E., Problemi di Idraulica e Meccanica dei fluidi. CEA, Milano, 1984.
GHETTI A., Idraulica, Ed. Cortina, Padova, Ultima ediz. .
LIGGET J.A., CAUGHEY D. A., FluidMechanics. An Interactive Text. ASCE Press, Reston, VA, 1998.
WHITE F. M., Fluid Mechanics, Mc Graw Hill Intern. Student Ed., 1979.
CENGEL Y.A., CIMBALA J. M., Meccanica dei fluidi, McGraw-Hill Education, Milano, 2015 (edizione italiana a cura di G. Cozzo e C. Santoro).
