Engineering for the Food Industry

(ex Ingegneria degli Impianti e delle Macchine dell'Industria Alimentare)

TERMOFLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE

Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA TECNICA INDUSTRIALE (ING-IND/10)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre

Obiettivi formativi

Conoscenze e capacità di comprendere: tramite le lezioni frontali svolte durante il corso, lo studente sarà in grado di acquisire i metodi e le conoscenze necessari a comprendere e descrivere i fondamenti dell’analisi numerica applicata ai fenomeni di trasporto di energia, massa e quantità di moto di interesse ingegneristico e industriale. Lo studente apprenderà le differenti metodologie di soluzione numerica delle equazioni di conservazione dell’energia, massa e quantità di moto; acquisirà i fondamenti teorici e pratici necessari alla realizzazione, validazione e all’utilizzo critico e consapevole dei metodi numerici di qui sopra.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: attraverso esercitazioni pratiche svolte con l’ausilio del computer lo studente dovrà acquisire conoscenze di tipo applicativo relativamente ai fenomeni di trasporto di energia, massa e quantità di moto che intervengono nei processi ingegneristici. Tramite l’analisi e l’utilizzo di codici di simulazione numerica lo studente dovrà essere in grado di applicare consapevolmente le conoscenze acquisite relativamente ai metodi numerici trattati a lezione.

Autonomia di giudizio: lo studente dovrà essere in grado di comprendere e valutare in maniera critica le principali tecniche di termofluidodinamica computazionale. In particolare, lo studente dovrà possedere gli strumenti per affrontare e valutare l’impatto di scelte progettuali nel campo della modellazione numerica di apparati di interesse ingegneristico. Inoltre, lo studente dovrà essere in grado di leggere consciamente i risultati ottenuti dall'applicazione delle metodologie di risoluzione numerica affrontate in classe tramite strumenti di analisi e di verifica.

Capacità comunicative: mediante le lezioni teoriche e pratiche lo studente farà proprio il lessico specifico riguardo alle metodologie di risoluzione numerica di problemi tipici della termofluidodinamica. Lo studente dovrà possedere l’abilità di presentare in maniera chiara, in forma orale e scritta, non solo gli argomenti teorici affrontati durante il corso ma anche i risultati ottenuti dall'applicazione pratica di uno dei metodi numerici studiati, le relative scelte progettuali nell'applicazione di tale tecnica, le problematiche affrontate e le modalità di soluzione individuate.

Capacità di apprendimento: lo studente che abbia frequentato il corso possiederà le basi per approfondire le proprie conoscenze con l’obiettivo di formare una figura professionale con competenze teoriche, modellistiche e numeriche in grado di affrontare problematiche lavorative che coinvolgano anche contesti multidisciplinari. Nello specifico lo studente possiederà gli strumenti per la comprensione e l’analisi di riviste scientifiche e testi specialistici con lo scopo di accrescere le proprie conoscenze affrontando argomenti anche non strettamente trattati durante il corso.

Prerequisiti

Per seguire il corso con profitto è necessaria la conoscenza dei concetti di base di Termofluidodinamica.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso si prefigge di fornire allo studente le nozioni generali riguardo ai fenomeni di trasporto di energia, massa e quantità di moto e ai modelli numerici necessari per descriverli: le leggi del moto dei fluidi, le leggi di conservazione dell’energia, massa e quantità di moto, i modelli di analisi alle differenze finite, agli elementi finiti, ai volumi finiti, la turbolenza e i modelli per descriverne le caratteristiche fondamentali. In aggiunta alle lezioni frontali in cui verranno illustrati concetti teorici verrà svolta un ’attività di esercitazione che costituisce parte integrante del corso ed è dedicata ad esercitazioni numeriche intese come momento di verifica e chiarimento delle nozioni teoriche acquisite nelle ore di lezione. Parte dell’attività di esercitazione viene svolta in laboratorio di informatica ed è dedicata all'analisi numerica applicata ai problemi di scambio termico e di moto dei fluidi. Al fine di far acquisire conoscenze metodologiche ed applicative, questa parte del corso si avvale di esercitazioni pratiche in cui viene utilizzato l’ambiente di programmazione Matlab e di software specifici per la modellazione numerica di problemi termofluidodinamici.

Programma esteso

- Introduzione alle leggi del moto dei fluidi, conservazione della massa, conservazione dell’energia, conservazione della quantità di moto.
- Metodo numerico alle differenze finite: differenze finite stazionarie, energy balance method, notazione matriciale, differenze finite non stazionarie con metodo esplicito e metodo implicito
- Analisi agli elementi finiti, conservazione dell’energia, leggi di Navier Stokes, condizioni al contorno, metodologie di soluzione numerica, schema SIMPLE, metodo dei residui pesati, Assembly, discretizzazione del termine avvettivo, equazioni per il regime transitorio, integrazione nel tempo, funzioni di forma
- La turbolenza e i suoi modelli. Caratteristiche generali della turbolenza, decomposizione e fluttuazioni, la cascata di Kolmogorov, modelli di turbolenza basati su medie temporali: aspetti generali, modelli a viscosità turbolenta, il modello k-epsilon e le sue varianti, condizioni al contorno, modelli k-omega. Simulazione diretta della turbolenza. Large Eddy simulation.
- Analisi ai volumi finiti: l'idea di base. Discretizzazione spaziale, griglie di calcolo, integrazione temporale, soluzione di problemi termofluidodinamici
- Accuratezza della soluzione, errori di discretizzazione, errori di modellazione, errori di convergenza
- Esercitazioni in laboratorio di applicazione pratica delle tematiche affrontate durante il corso

Bibliografia

- Fondamenti di Termofluidodinamica Computazionale, Gianni Comini, Giulio Croce Enrico Nobile, SGE Editoriali
- Fundamentals of heat and mass transfer, T. L. Bergman, F. P. Incropera, D. P. DeWitt and A. S. Lavine, John Wiley & Sons.
- Laminar flow forced convection in ducts: a source book for compact heat exchanger analytical data, R. K. Shah and London A. L., Academic press.

Metodi didattici

L’attività didattica sarà organizzata principalmente in lezioni frontali ed esercitazioni pratiche svolte nel laboratorio di informatica. Nel corso delle lezioni frontali saranno affrontati gli argomenti teorici della materia con l’obiettivo di promuovere la comprensione e l’assimilazione dei concetti alla base del corso. Nelle esercitazioni, svolte con l’ausilio del computer, i concetti illustrati durante le lezioni frontali verranno applicati nella pratica affrontando problemi di interesse ingegneristico.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell’apprendimento è organizzata in due step: una prova scritta/pratica svolta in laboratorio di informatica basata sulla risoluzione di un problema pratico di termofluidodinamica mediante una delle metodologie di risoluzione numerica affrontate durante il corso; una prova orale basata su domande a risposta aperta in cui verranno valutate la conoscenza delle tematiche presentate durante il corso, la proprietà di esposizione e la padronanza del lessico disciplinare. La votazione finale viene calcolata assegnando ad ognuna delle due prove una valutazione da 0 a 30 ed effettuando la media pesata delle singole valutazioni, con arrotondamento finale per eccesso.