[Golia] Fluidodinamica (2005)

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meccanica dei fluidi ingengeria

Text of [Golia] Fluidodinamica (2005)

  • SUN.DIAM

    SECONDA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE E MECCANICA

    C. GOLIA

    Fluidodinamica

    Lezioni SUN.DIAM AE 02/2

  • Autore : Carmine Golia, M.S., Ph.D. Professore Ordinario: Ragg. Disciplinare ING-IND/06 - Fluidodinamica Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica Facolt di Ingegneria - Seconda Universit degli Studi di Napoli Via Roma, 29 - 81031 Aversa (CE) Italia Tel. (+) 39 081 5010 281 Fax . (+) 39 081 5010 204 e-mail carmine.golia@unina2.it

    In copertina: Aversa - Arco dell Annunziata ( Coll. Uberto Bowinkel - via S. Lucia , 25 - Napoli - Tav. n. 5 - particolare )

  • AE Aerodinamica e Fluidodinamica teorica e sperimentale CC Combustione e Chimica in generale CM Costruzione di macchine FT Fisica tecnica IA Impianti aerospaziali IEG Ingegneria economico - gestionale I I Impianti industriali MAM Meccanica applicata alle macchine MV Meccanica del volo SQA Statistica, qualit ed affidabilit ST Strutture TM Tecnologia meccanica

    DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AEROSPAZIALE E MECCANICA SECONDA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI

    via Roma 29 - 81031 AVERSA (CE ) tel. 0815010203 fax 0815010204

  • C.GOLIA: Fluidodinamica Proemio

    Facolt di Ingegneria - S.U.N. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica

    Fluidodinamica A.A 2002/203

    C.Golia

    C.Golia (carmine.golia@unina2.it)

    Queste note contengono gli appunti delle lezioni del primo insegnamento di Fluidodina-mica offerto tipicamente agli allievi dei Corsi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale e di Ingegneria Meccanica della Seconda Universit degli Studi di Napoli. Questo corso, nel nuovo ordinamento degli studi, tenuto nel secondo semestre del secon-do anno di studio e vale 6 crediti (CFU). Prerequisiti culturali al corso sono tutti gli insegnamenti di Matematica, di Matematica Ap-plicata e di Fisica. Scopo del corso, secondo i mandati del nuovo ordinamento, di fornire una preparazione di primo livello capace di introdurre lo studente alla comprensione ed alle metodologie ti-piche della materia allo scopo di affrontare e risolvere concretamente semplici problemi di ingegneria ma con una preparazione di base che gli consentir futuri approfondimenti ed estensioni. Enfasi sar posta quindi sul saper fare, il che richieder la comprensione del problema fisi-co, il suo inquadramento nelle problematiche della Fluidodinamica, la formulazione delle equazioni e la loro risoluzione. Tali fasi, che rappresentano liniziazione alla professionalit dellingegnere, verranno svolte ed agevolate da intense attivit di tutoraggio, che dovranno essere seguite con costanza e solerzia in quanto costituiscono parte integrante e fondamen-tale del processo di formazione. Le prove di esame e di accertamento si baseranno su accertamenti intercorso che saranno discussi in un colloquio finale.

    Queste note sono state estratte da appunti delle lezioni fornite a studenti degli anni prece-denti. Questi allievi sono stati usati come cavie pazienti per l'adattamento graduale del testo alla didattica fattibile nei 6 CFU, per la individuazione dei punti oscuri e per la correzione degli inevitabili errori. A tutti il ringraziamento dell'autore. Ma gli errori e le imperfezioni sono indici dell'umanit, cui apparteniamo; sicch essi con-tinueranno immancabilmente a permanere in queste note. Futuri allievi saranno grati a quanti di voi, attenti lettori, vorranno segnalarli all'autore.

    C.Golia

    Per ultimo, ma non per diminutio, si ringraziano, per la loro collaborazione alla stesura fi-nale di queste note, i colleghi che, nel corso degli anni, hanno adottato questi appunti per le loro lezioni.

    P.i

  • C.GOLIA: Fluidodinamica Proemio

    Indice

    PROEMIO

    Paragrafo pagina Indice i Check-In vi Scheda di valutazione vii

    Capitolo 1: INTRODUZIONE

    Paragrafo pagina 1.1 Preliminari 2 1.2 Cenni Storici 2 1.3 Il concetto di fluido 3 1.4 Il fluido come mezzo continuo 4 1.5 Dimensioni ed Unit 4 1.6 Propriet Termodinamiche di un fluido 7

    1.6.1 Densit 7 1.6.2 Temperatura 8 1.6.3 Pressione 8 1.6.4 Equazioni di stato 9 1.6.5 Viscosit 12

    1.6.5.1 Variazione della viscosit con la temperatura 14 1.6.6 Conducibilit termica 14 1.6.7 Fluidi non-newtoniani 15 1.6.8 Tensioni superficiali 15 1.6.9 Tensione di vapore 17

    1.7 Check-Out 18

    Capitolo 2: ELEMENTI DI MECCANICA DEI FLUIDI Paragrafo pagina 2.1 La Meccanica del continuo 2 2.2 Scalari, vettori e Tensori 3

    2.2.1 Scalari 4 2.2.2 Vettori 4 2.2.3 Tensori 7

    2.3 Rappresentazioni Euleriana Lagrangiana 12 2.4 Velocit 15 2.5 Velocit Angolare di particelle fluide 18 2.6 Accelerazione (lineare) 19 2.7 Dilatazione 21 2.8 Velocit di dilatazione 22 2.9 Teorema del trasporto di Reynolds 24 2.10 Il tensore di deformazione 27 2.11 Il tensore velocit di deformazione 28

    2.11.1 Significati delle componenti del tensore di deformazione 30 2.12 Il tensore degli sforzi 31 2.13 Flussi e portate 34 2.14 Teoremi di Gauss 36 2.15 Vorticit 38 2.16 Potenziale di velocit 39 2.17 Circolazione Teorema di Stokes 39

    P.ii

  • C.GOLIA: Fluidodinamica Proemio

    2.18 Linee di flusso 40 2.18.1 Traiettorie 40 2.18.2 Linee di corrente 41 2.18.3 Linee di fumo 41

    2.19 Sintesi del Capitolo - Check-Out 42

    Capitolo 3: CAMPI DI PRESSIONE IN UN FLUIDO Paragrafo pagina 3.0 Premessa 2 3.1 Idrostatica 3 3.2 Campi idrostatici 6

    3.2.1 Pressione idrostatica in liquidi 6 3.2.2 Pressione idrostatica in gas 8

    3.2 Manometria 9 3.3 Spinte su superfici piane 10 3.4 Spinte su superfici curve 13 3.5 Campi di pressione in fluidi stratificati 14 3.6 Galleggiamento e Stabilit 15 3.7 Campi di pressione in atti di moto rigido 17

    3.7.1 Accelerazione lineare uniforme 17 3.7.2 Rotazione rigida 18

    3.8 Campi di pressione in flussi irrotazionali - Teorema di Bernoulli 20 3.9 Campi di pressione in flussi arbitrari 21 3.10 Misuratori di pressioni 21 3.11 Check-Out 26

    Capitolo 4: EQUAZIONI INTEGRALI DI BILANCIO PER UN VOLUME DI CONTROLLO

    Paragrafo pagina 4.1 Generalit 2 4.2 Il teorema di Reynolds (detto del trasporto) 4 4.3 Equazioni Integrali valide per un Volume di Controllo 5

    4.3.1 Equazioni integrale per la conservazione della massa 6 4.3.2 Equazione integrale per il bilancio della quantit di moto 8 4.3.3 Equazione integrale per il bilancio della quantit di moto in un rif.non inerziale 11 4.3.4 Equazione integrale del momento della quantit di moto 13

    4.3.4.1 Considerazioni per lanalisi di turbomacchine 14 4.3.5 Equazione integrale dell'energia 18

    4.3.5.1 Forma ingegneristica per lequazione integrale dellenergia 22 4.4 Coefficienti di correzione 24 4.5 Fluidodinamica dei sistemi propulsivi (eliche e rotori) (teoria del disco attuare) 25 4.6 Sintesi e Chek-Out 31

    Capitolo 5: EQUAZIONI DIFFERENZIALI DI BILANCIO Paragrafo pagina 5.1 Generalit 2 5.2 L'equazione di continuit (conservazione della massa) 2

    5.2.1 La funzione di corrente 3 5.3 Equazione Differenziale di Bilancio per la Quantit Di Moto 6

    5.3.1 Le relazioni fenomenologiche per il tensore degli sforzi 7 5.3.2 Le equazioni di Navier-Stokes e quelle di Eulero 12

    5.4 Lequazione Differenziale di Bilancio per La Vorticit 14

    P.iii

  • C.GOLIA: Fluidodinamica Proemio

    5.4.1 Velocit indotta da un volume vorticoso 18 5.4.2 Risoluzione analitica dellequazione vettoriale di Poisson per la vorticit (*) 19 5.4.3 Velocit indotta da un filamento vorticoso formula di Biot-Savart 21

    5.5 Equazione differenziale di bilancio del Momento della quantit di moto 25 5.6 Equazione Differenziale di Bilancio per Lenergia 27

    5.6.1 Equazione dellenergia totale 28 5.6.2 Equazione dellentalpia totale 29 5.6.3 Equazione dellenergia interna 30 5.6.4 Equazione dellentalpia termodinamica 31 5.6.5 Condizioni al contorno per la temperatura 32 5.6.6 Ricapitolazione delle forme dell'equazione dell'energia 32

    5.7 Equazione Differenziale del Bilancio per lentropia 33 5.8 Azioni dinamiche 34 5.9 Approssimazione di Boussinesque 34 5.10 Sintesi e Check-Out 36

    Capitolo 6: ANALISI DIMENSIONALE E SIMILITUDINI Paragrafo pagina 6.1 Generalit 2 6.2 Il principio di omogeneit dimensionale 3 6.3 Il teorema del PI (di Buckingham) 6 6.4 Il metodo di Taylor 7 6.5 Incongruenze 9 6.6 Adimensionalizzazione delle equazioni del moto 10

    6.6.1 Numeri adimensionali della fluidodinamica 13 6.6.2 Altri parametri adimensionali di interesse in fluidodinamica 15 6.6.3 Criteri per l'adimensionalizzazione 16

    6.7 Modelli e Similitudine 17 6.7.1 Similitudine geometrica 17 6.7.2 Similitudine cinematica 19 6.7.3 Similitudine dinamica 19 6.7.4 Discr