INTRODUZIONE AL CORSO DI IDRAULICA - unibs.itM. Pilotti - Introduzione al corso di Idraulica IDRAULICA L'Idraulica è quella parte della Meccanica che si occupa dello studio del comportamento

M. Pilotti - Introduzione al corso di Idraulica

INTRODUZIONE AL CORSO DI

IDRAULICA Corso di Laurea in Ingegneria Civile - Ambiente e Territorio

Marco Pilotti

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http://www.ing.unibs.it/hydraulics/


L’ESAME DI IDRAULICA


IDRAULICA L'Idraulica è quella parte della Meccanica che si occupa dello studio del comportamento dello stato fluido della materia (in particolar modo liquido), sia in situazioni di quiete che di moto, con particolare attenzione alle situazioni tipiche delle reti in pressione e a superficie libera e delle problematiche ambientali. Il corso introduce gli aspetti di base della meccanica dei fluidi (con particolare riferimento ai fluidi newtoniani incomprimibili e isotermi), mostrandone l'utilizzo in problemi stilizzati tipici della ingegneria civile, ambientale e meccanica. Esso mira a fornire alcuni strumenti fondamentali per la soluzione di problemi progettuali affrontati nei corsi successivi.

MODALITÀ DI ESPOSIZIONE

L'esposizione sarà effettuata avvalendosi prevalentemente della lavagna, per consentire un apprendimento graduale dei concetti esposti. Nell'ambito del corso saranno effettuate, se possibile, un’esercitazione in laboratorio e un seminario monografico di approfondimento. Per vincoli di orario, la visita di impianti o di situazioni di rilevante importanza in campo idraulico saranno effettuate nel successivo corso di Environmental Hydraulics.

MODALITÀ D'ESAME

L'esame consiste in una prova orale preceduta da una prova scritta. In questa fase di sperimentazione la prova orale deve venir sostenuta entro 30 giorni da quella scritta. Al termine della prova scritta, lo studente consegna il tema svolto ed assiste quindi alla correzione alla lavagna del tema assegnato. Quindi, sulla base delle indicazioni di autovalutazione fornite nel testo del tema assegnato e di un possibile confronto con il docente, lo studente decide se confermare o meno la consegna dello scritto. Il tema così consegnato che venga valutato insufficiente in sede di correzione finale implica l’esclusione dall'appello successivo.

ORARIO DI RICEVIMENTO E COLLABORATORI

Venerdì pomeriggio dalle 11.30 alle 13.30 Dr. Ing. Giulia Valerio, Dr. Ing. Luca Milanesi


COME SI SVOLGE UN ESAME SCRITTO E QUALI SONO I CRITERI DI VALUTAZIONE ?

ESAME DI IDRAULICA A - prova scritta - 1/4/ 2003

Esercizio 1 Il serbatoio in figura, di profondità unitaria in direzione ortogonale al foglio, è limitato alla sua sinistra da un setto di sagoma ABCD. Si chiede di determinare la lunghezza minima della base CD affinchè il setto, a tenuta in C, sia in equilibrio.

I

VN

4 6

❏ ❏

Y = 4 m γ1 = 9806 N/m3 γ2= 12000 N/m3 R = 0.5 m (raggio dell’arco BC) Esercizio 2 Dato il serbatoio in figura, di superficie planimetica S, caratterizzato dalla presenza di una luce a battente circolare a spigolo vivo di area A: si chiede di scrivere l’equazione di conservazione della massa nella ipotesi che la portata entrante sia ½ di quella uscente

4 ❏

si chiede poi di mostrare come vari il livello nel tempo, posto che il livello al tempo 0 sia Y0.

6 ❏

Esercizio 3 Si chiede di determinare la portata di liquido che fluisce nel condotto di figura, in assenza di ogni dissipazione. Il serbatoio di monte A è in pressione ed è nota la lettura n del manometro metallico

3 ❏ Si chiede poi di tracciare la linea dei carichi totali e piezometrici 7 ❏

n = 0.3 bar Y1 = 4 m D1 = 0.2 m Y2 = 2 m D2 = 0.4 m Nota bene: • I= impostazione del problema e equazioni risolventi

VN= valori numerici finali • Si riquadrino le equazioni risolventi, la prima volta che vengono formulate

e si evidenzino i risultati finali dei calcoli

COME SI SVOLGE L'ESAME ORALE ?


L'esame orale prende spunto dal risultato dello scritto: allo studente vengono assegnate tre domande di teoria e circa 30 minuti per tracciare la linea guida per la successiva esposizione orale. Terminata questa fase lo studente inizia l'esame orale vero e proprio, che consiste nella esposizione dettagliata dei punti tratteggiati nella fase precedente. L'esame orale dura da 30 (studenti brillanti) a 60 minuti (studenti debolmente preparati). Ciò può parere paradossale, ma è proprio nel caso di maggiore impreparazione che, al fine di recuperare il salvabile ed evitare una valutazione iniqua, si rende necessario un processo di scavo più lungo, che il docente eviterebbe con grande piacere e che lo studente, erroneamente, interpreta come accanimento. I voti vanno dal 18 al 30 e lode. Prendendo atto di questo fatto, ogni studente scelga il proprio livello di preparazione. Tuttavia, attenzione agli aspetti fondamentali e alla comprensione del significato fisico dei procedimenti adottati e delle argomentazioni, conditio sine qua non per il superamento dell'esame. Una delle cose più utili che uno studente possa fare (ma anche una delle meno praticate) è assistere ad un esame orale, non appena si sia raggiunto un livello sufficiente di comprensione della disciplina Le domande ? Sono sempre le stesse... Linea dei carichi per il moto di una corrente ideale in una condotta,relazione di Laplace, dimostrazione della costanza di h nel caso di liquido pesante e incomprimibile in quiete,Spinta su superficie curva,Esperienza di Couette e viscosità: fluidi newtoniani, f.la di funzionamento manometro differenziale ed altri strumenti di misura di pressione,profilo di pressione in liquido comprimibile,Equazione di conservazione della massa,derivazione del T.ma di bernoulli,Significato dei termini che compaiono nel t.ma di Bernoulli,profilo di pressione in atmosfera secondo il modello idrostatico, isotermo e politropico,avviamento al moto in una condotta,...

Alcuni dati: studenti che hanno superato l'esame / numero di iscritti regolari

Idraulica A 90/133 (4/06 –1/07) 87/120 (4/07 –1/08) 98 (4/08 –1/09)


LIBRI DI TESTO CONSIGLIATI

Cengel,Y., Cimbala, J. Fluid Mechanics, McGraw-Hill

A. Ghetti Idraulica, Cortina, Padova D. Citrini, G. Noseda Idraulica, Ed. CEA, Milano

TESTI CONSIGLIATI DI EVENTUALE APPROFONDIMENTO

Relativamente all'impostazione generale del corso: E.Marchi, A.Rubatta Meccanica dei Fluidi: principi e applicazioni idrauliche, Ed.

UTET. , Torino. Tritton, D.J. Physical Fluid Dynamics, Oxford Science Publications, 1988 White, F.M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill Munson, B.Young, D.,Okiishi, T. Fundamentals of Fluid Mechanics,McGraw-Hill

Relativamente alle eq.ni di Navier Stokes, alla nozione di strato limite e di turbolenza: Schlichting, H., Boundary Layer Theory, McGraw-Hill, New York, 1979

Relativamente alle correnti a superficie libera: G. De Marchi, D. Citrini, G. Noseda Nozioni di Idraulica, Edagricole, Bologna, 1977 Henderson, F.M Open Channel Flow, MacMillan Publishing Inc., New York, 1966. V.T. Chow Open Channel Hydraulics, McGraw-Hill, 1959.

Relativamente allo sviluppo storico delle discipline idrauliche: G.A. Tokaty A History and Philosophy of fluid mechanics Tolle R., Kastenbein Archeologia dell'acqua - la cultura idraulica nel mondo classico,

Longanesi Infine, l'idraulica è una materia che si presta alla visualizzazione, la quale può aiutare e guidare nella comprensione fisica del fenomeno. A tale scopo, oltre alla attenta osservazione della realtà che ci circonda, può essere utile sfogliare per puro diletto M. Van Dyke An Album of Fluid Motion Tutti questi testi sono disponibili presso le biblioteche della Facoltà


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ARGOMENTI DI RICERCA DEL DOCENTE

modellistica ambientale, trasporto solido, correnti a superficie libera, moto nei mezzi porosi, sicurezza idraulica delle dighe, limnologia fisica


IL CORSO DI IDRAULICA


MAPPA DEL CORSO DI IDRAULICA

Definizione di fluido e Proprietà dei fluidi (proprietà termodinamiche e di trasporto) Proprietà del campo di moto (velocità, accelerazione, cinematica…) Postulati di base della meccanica particolarizzati per i continui fluidi (principi di conservazione della massa, di bilancio della quantità di moto e della energia) Comportamento dei fluidi in quiete (statica dei fluidi)

Modello di fluido ideale (eq.ne di Eulero, T.ma di Bernoulli, foronomia,...)

legame costitutivo Modello di fluido Viscoso Newtoniano (eq.ne di Navier, eq.ni di Reynolds, leggi di resistenza...)

Moto dei fluidi viscosi in impianti in pressione, in moto permanente e vario (principi basilari della progettazione idraulica di impianti in pressione,...)

Moto delle correnti a superficie libera in alvei prismatici (principi basilari per lo studio e la comprensione del moto nei canali e nei corsi d'acqua,...)

COMPETENZE ACQUISIBILI

• Capacità di operare con gli strumenti necessari all'inquadramento generale delle problematiche di moto dei fluidi

• Sollecitazioni statiche su superfici • Interazioni dinamiche fluido-struttura • Principi di comportamento delle correnti in

pressione e delle correnti a superficie libera (Acquedotti e Fognature, impianti in pressione in genere, canali e fiumi)

• Impianti di pompaggio e di produzione di energia idroelettrica

• Fluidodinamica ambientale


OGGETTO DEL CORSO Restringendo l'attenzione ai fluidi newtoniani, in estrema sintesi potremmo affermare che oggetto del corso è lo studio delle conseguenze fisiche del sistema di equazioni (1)-(3), scritte con riferimento ad un campo approssimato ad isotermo e a viscosità omogenea (eq.ni di Navier-Stokes, 1845):

0=⋅∇+∂∂

vρρt

(1)

vvv

vvf ∇+∂∂=∇+⋅∇∇++∇− ρρµµµρ

tp 2' )()(

(2)

)(pf=ρ (3)

Dalla non linearità del sistema (1)-(2)-(3) consegue:

• ricchezza della fenomenologia fisica • ardua trattabilità matematica

quindi:

• indagine sperimentale • indagine teorica su modelli semplificati • indagine numerica e problema

computazionale

Posso predire il moto dei corpi celesti ma non posso dire nulla del movimento di una piccola goccia d'acqua (Galileo Galilei) Se si ragiona di acqua anteponi l'esperienza alla teoria (Leonardo da Vinci)

COLLOCAZIONE DEL CORSO NELL’ORDINAMENTO TRADIZIONALE

L'idraulica occupa una posizione di transizione tra i corsi di base e i corsi a taglio più progettuale.

Analisi, Meccanica Razionale,

Fisica

⇒⇒⇒⇒

IDRAULICA

⇒⇒⇒⇒

Costruzioni Idrauliche, Idrologia, Idraulica ambientale Acquedotti ...

Meccanica Razionale

⇒⇒⇒⇒ Scienza delle Costruzioni

⇒⇒⇒⇒ Tecnica delle Costruzioni


GLI INGEDIENTI IDEALI DEL CORSO

• Problema pratico da risolvere • Inquadramento fisico del problema • Modello matematico per rappresentare il problema (equazioni

differenziali, relazioni empiriche)

• Metodo numerico (vedremo solo 2 metodi per la ricerca delle radici) • Linguaggio di programmazione e Computer (solo per i più

volonterosi)


LA VARIETÀ DELLA FENOMENOLOGIA FISICA...

Re →→→→0

Re = 32

Re = 55

Re = 65

Re = 225


L'INDAGINE SPERIMENTALE E NUMERICA...

Stramazzo Bazin Confronto fra il profilo sperimentale

e numerico del getto Larghezza del canale b = 18 cm; Portata defluente Q = 4 l/s; Altezza del petto dello stramazzo p = 15 cm;


L'INDAGINE SPERIMENTALE E NUMERICA...

Problematiche di crollo diga


CERCHIAMO ORA DI RISPONDERE AD ALCUNE DOMANDE GENERALI SULLA DISCIPLINA

A COSA SERVONO L’IDRAULICA E LA MECCANICA DEI FLUIDI ?

Παντα ρειΠαντα ρειΠαντα ρειΠαντα ρει (Eraclito) se Deborah < 1 Quasi tutto sulla terra o è fluido o si muove dentro un fluido. Queste discipline forniscono gli strumenti interpretativi di base per la comprensione di una vastissima serie di processi. Sono quindi fondamentali per ogni attività di previsione e progettazione in tutte le discipline che si interfaccino con i fluidi

QUALI SONO ALCUNE APPLICAZIONI ?

Flusso dell'aria in un tubo bronchiale

simulazione numerica bidimensionale del comportamento dell'acqua all'interno del cestello di una lavatrice in varie fasi del ciclo di lavaggio

Distribuzione spaziale della temperatura all'interno di un Auditorium

Corpo umano: pompaggio e circolazione, respirazione, filtrazione... Ambiente antropizzato: distribuzione dell'acqua e del gas; impianti di condizionamento; drenaggio e collettamento delle acque reflue; elettrodomestici (frigoriferi, lavatrici, computer...); componentistica varia: rubinetti, valvole di regolazione della portata, misuratori di portata. Sollecitazioni statiche e dinamiche esercitate da fluidi su grandi strutture (ponti, ciminiere, tetti...)... Mezzi di comunicazione: automobile (riduzione della resistenza areodinamica e della deportanza, servomeccanismi, impianti di raffreddamento, areazione e lubrificazione, ottimizzazione del disegno del battistrada...), aerei, navi, sommergibili... Ambiente naturale: ciclo dell'acqua, clima, ridistribuzione del calore a scala planetaria, convezione e diffusione, moto delle grandi masse


ALTRI ESEMPI SONO SOTTO GLI OCCHI DI TUTTI, AL PUNTO DA PASSARE QUASI INOSSERVATI

INFRASTRUTTURE IDRAULICHE AL

SERVIZIO DEL TERRITORIO: APPROVIGIONAMENTO IDRICO E

COLLETTAMENTO, BONIFICA, IRRIGAZIONE, TRASPORTO DI MERCI (e.g., pianura tra Oglio e Mella, medio Chiese bresciano, Naviglio bresciano...)

PROGETTAZIONE DI OPERE PER IL

CONVOGLIAMENTO DELL'ACQUA E LO

SFRUTTAMENTO DELLE RISORSE

ENERGETICHE RINNOVABILI (Centrale di Edolo)

PROTEZIONE IDRAULICA DEL TERRITORIO (T. Rossiga, Gleno...)


ULTIM I RIFERIMENTI FONDAMENTALI ...

fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza (Dante, Inf., XXVI).

Nihil sine magno labore vita dedit mortalibus (Orazio, "Satire")

Non cerco alleati sul campo di battaglia nella vita ma cerco la mia forza.

Non imploro con ansiosa paura di essere salvato ma spero di avere la pazienza per conquistare la mia libertà (Tagore)

E ADESSO PARTIAMO...

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