Contenuti del corso Modulo 1- I fluidi e il loro movimento-settimana 1- Test di autovalutazione 1

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1 Insegnamento Livello e corso di studio Settore scientifico disciplinare (SSD) Idraulica Laurea in Ingegneria Civile L7 ICAR/01 Anno di corso 2 Numero totale di crediti Propedeuticità Docente Obiettivi formativi Prerequisiti 9 Analisi I Analisi II Geometria Silvia Di Francesco Facoltà: Ingegneria Nickname: difrancesco.silvia silvia.difrancesco@unicusano.it Orario di ricevimento: consultare calendario videoconferenze Il corso affronta gli aspetti di base dell'idraulica, fornendo strumenti fondamentali per la soluzione di problemi progettuali classici dell'ingegneria civile ed ambientale. I risultati di apprendimento attesi sono: Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): Conoscenza dei modelli matematici atti a descrivere il comportamento dei fluidi incomprimibili Conoscenze e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): Sviluppo delle capacità di applicare le competenze per affrontare problemi pratici nel campo dell idrostatica, delle correnti in pressione e in quello delle correnti a pelo libero Spinte su superfici piane e curve Conservazione dell energia Foronomia Valutazione delle perdite di carico distribuite e concentrate Verifica e dimensionamento di sistemi di condotte Moto nei canali a superficie libera Misura delle grandezze idrauliche Capacità critica di interpretare i risultati ottenuti durante lo svolgimento di un esercizio numerico sia in termini di coerenza fisica dei risultati ottenuti sia in termini di fattibilità ingegneristica della soluzione individuata. Autonomia di giudizio (making judgements): Sviluppo della capacità di interpretare i dati provenienti dalla letteratura per la scelta più opportuna al caso esaminato. Abilità comunicative (communication skills): Sviluppo di un linguaggio scientifico corretto e comprensibile che permetta di esprimere in modo chiaro e privo di ambiguità le conoscenze tecniche acquisite nell ambito dei problemi proposti ed analizzati. Capacità di apprendere (learning skills): Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la risoluzione di problemi non familiari che abbiano come oggetto l analisi dei processi idraulici di interesse. É necessario che lo studente che si avvicina alla preparazione di questa materia abbia sostenuto gli esami di geometria, Analisi I e II. Contenuti del corso Modulo 1- I fluidi e il loro movimento-settimana 1- Test di autovalutazione 1 Definizione di fluido. I fluidi come sistemi continui. Grandezze della meccanica dei fluidi e unità di misura. Sforzi nei sistemi continui. Densità e peso specifico.- Comprimibilità. Tensione superficiale. Viscosità. Fluidi non 1

2 newtoniani. Regimi di movimento Modulo 2 -Idrostatica -Settimana 2 - Test di autovalutazione 2 Equazione indefinita dell'equilibrio statico. Legge di Stevin. Distribuzione idrostatica delle pressioni. Spinta su pareti piane. Spinta su pareti curve. Formula di Mariotte. Applicazioni Modulo 3 - Cinematica dei fluidi - Settimana 3 - Test di autovalutazione 3 Velocità e accelerazione. Elementi caratteristici del moto. Tipi di movimento. Equazione di continuità. Modulo 4- Equazioni fondamentali della dinamica dei fluidi -Settimana 4 - Test di autovalutazione 4-5 Equazione indefinita del movimento. Equazione globale dell'equilibrio dinamico. Modulo 5 - Il teorema di Bernoulli - Settimana 5- Test di autovalutazione 4-5 Distribuzione della pressione nel piano normale. Correnti lineari. teorema di Bernoulli. Interpretazione geometrica ed energetica -Applicazioni - Estensione ai fluidi reali - Potenza di una corrente in una sezione. Estensione del teorema di Bernoulli a una corrente Modulo 6- Equazione del moto dei fluidi reali - Settimana 6 - Test di autovalutazione 6 Le equazioni di Navier per i fluidi viscosi. Equazione globale di equilibrio. Azione di trascinamento di una corrente Modulo 7 - Correnti in pressione - Settimana 7 -Test di autovalutazione 7 Generalità sul moto uniforme. Moto laminare. Caratteristiche generali del moto turbolento; grandezze turbolente e valori medi. Sforzi tangenziali viscosi e turbolenti. Ricerche sul moto uniforme turbolento. Analisi dimensionale. Moto nei tubi scabri. Formule pratiche. Perdite di carico localizzate. Brusco allargamento. Perdite di sbocco, di imbocco, di brusco restringimento. Convergenti e divergenti. Altri tipi di perdite concentrate. Calcolo idraulico di una condotta Modulo 8- Problemi pratici relativi alle lunghe condotte -Settimana 8-Test di autovalutazione 8 Generalità. Verifica del funzionamento dei sistemi di condotte. Dimensionamento ottimizzato di sistemi di condotte. Impianti di sollevamento. Condotte forzate degli impianti idroelettrici. Possibili tracciati altimetrici Modulo 9- Correnti a pelo libero -Settimane 9 e 10 -Test di autovalutazione 9 Caratteri delle correnti a pelo libero. Equazione del moto delle correnti a pelo libero gradualmente variate. Equazione del moto uniforme per le correnti a pelo libero. Scala delle portate (sezioni aperte, chiuse e banchinate). Caratteristiche energetiche della corrente in una sezione. Condizione di stato critico. Alvei a debole e forte pendenza. Profili di corrente in alvei a debole e forte pendenza. Risalto idraulico. Spinta totale di una corrente. Localizzazione del risalto. Esempi di profili di corrente (effetto di una variazione di scabrezza, della pendenza di fondo, della presenza di dispositivi di controllo,...). Passaggio fra le pile di un ponte. Esempi applicativi. Modulo 10 Foronomia -Settimana 11- Test di autovalutazione 10 Luci a battente e a stramazzo Modulo 11- Moti di filtrazione -Settimana 12 - Test di autovalutazione 11 Schematizzazione dei moti di filtrazione. Legge di Darcy. Emungimento mediante pozzo da falda artesiana e freatica Modulo 12 - Strumenti di misura delle grandezze idrauliche - Settimana 12 Misura di: portata (venturimetro, dispositivi ad induzione magnetica e ad ultrasuoni); pressione (manometri ad ago, trasduttori piezoresistivi); livello (sonda ad ultrasuoni, trasduttori); velocità (sonda ad ultrasuoni) 2

3 Materiali di studio MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE Testi consigliati: 1. Çengel Yunus A, John M. Cimbala, Meccanica dei fluidi, II ed, McGraw-hill, Chow, V.T., Open-Channel Hydraulics, McGraw-Hill, Citrini D., Noseda G., Idraulica, II ed., Milano, Casa Editrice Ambrosiana, Marchi E., Rubatta A., Meccanica dei fluidi, I ed., Torino, UTET, Mossa Michele, Antonio Felice Petrillo, Idraulica, Casa Editrice Ambrosiana, 2013 Metodi didattici Modalità di verifica dell apprendimento Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide, dispense ed esercitazioni numeriche svolte, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ogni modulo. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove il docente fornisce sputi di riflessione sugli argomenti più significativi dell insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti. L esame consiste nello svolgimento di una prova scritta di 90 minuti tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti. La prova scritta prevede di norma 3-4 domande (in genere 1 esercizio numerico e 2/3 domande di teoria) sui principali argomenti trattati nel corso. Particolare attenzione nella valutazione delle risposte date viene posta sulla capacità dello studente di risolvere il problema numerico e nel rielaborare il materiale presente in piattaforma. Durante la prova scritta NON è consentito utilizzare dispense, appunti, testi o formulari in formato cartaceo né digitale. L uso della calcolatrice è consentito solo nel caso di calcolatrici non scientifiche né programmabili. Criteri per l assegnazione dell elaborato finale L assegnazione dell elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 - Lezione 1 Definizione di fluido I fluidi come mezzi continui Unità di misura Forze agenti su un continuo (fluido) Il tensore delle tensioni Materiali didattici a cura del docente Modulo 1 - Lezione 2 Densità Peso specifico Comprimibilità Tensione superficiale Viscosità Tensione di vapore Proprietà termiche Regimi di movimento Modulo 2 - Lezione 1 Sforzi nei fluidi in quiete Equazione indefinita della statica dei fluidi Equazione globale della statica dei fluidi Legge di Stevin Distribuzione idrostatica delle pressioni. Misura della pressione Modulo 2 - Lezione 2 Spinta su superfici piane 3

4 Modulo 2 - Lezione 3 Spinta su una superficie curva Fluidi di piccolo peso specifico Formula di Mariotte Modulo 2 Lezione 4 Esercizi riepilogativi sulla misura della pressione Modulo 2 - Lezione 5 Esercizi riepilogativi sulla determinazione delle spinte su superfici curve Modulo 3 - Lezione 1 Velocità e accelerazione: approccio euleriano e lagrangiano Derivata Sostanziale Elementi caratteristici del moto: linee di corrente, traiettorie, linee di fumo, linee di tempo 5 Il concetto di portata Tipologie di movimento Modulo 3 - Lezione 2 Equazione di continuità: forma indefinita e globale, applicazione alle correnti Modulo 4 - Lezione 1 Equazione indefinita dell equilibrio dinamico Fluido perfetto Modulo 4 - Lezione 2 Equazione globale dell equilibrio dinamico Applicazione alle correnti Esempi applicativi: Spinta di un getto su una piastra Modulo 5 - Lezione 1 Il teorema di Bernoulli Interpretazione geometrica ed energetica Distribuzione della pressione nel piano normale Modulo 5 - Lezione 2 Applicazioni del teorema di Bernoulli Foronomia : Luce di fondo, Paratoia piana parzialmente aperta, Luce di comunicazione tra due serbatoi, flusso libero Tubo di Pitot Venturimetro Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente Modulo 5 Lezione 3 Estensione del teorema di Bernoulli ai fluidi reali. Modulo 6 - Lezione 1 Stato di sforzo : componente normale e deviatorica Equazioni costitutive Equazione di Navier -Stokes Modulo 6 - Lezione 2 Equazione globale di equilibrio (fluidi incomprimibili) Azione di trascinamento di una corrente Modulo 7 - Lezione 1 Correnti in pressione- Generalità sul moto uniforme Regimi di moto e numero di Reynolds 4

5 Caratteristiche del moto turbolento Sforzi tangenziali viscosi e turbolenti Modulo 7 - Lezione 2 Moto laminare Flusso alla Hagen Poiseulle in un tubo cilindrico ( ) Flusso alla Poiseulle tra due lastre indefinite parallele Modulo 7 - Lezione 3 Le perdite di carico continue Moto laminare. Moto turbolento L Abaco di Moody Problemi di progetto e di verifica Profili teorici di velocità regime turbolento Leggi di resistenza classiche Modulo 7 - Lezione 4 Perdite di carico localizzate Brusco allargamento Perdite di imbocco Brusco restringimento Convergenti e Divergenti Altri tipi di perdite - Dispositivi di strozzamento Calcolo idraulico di una condotta Modulo 8 - Lezione 1 Problemi pratici sulle lunghe condotte Condotta a diametro costante con erogazione uniforme Verifica dei sistemi di condotte Condotta collegante 2 serbatoi Tre serbatoi collegati Condotte in parallelo Modulo 8 - Lezione 2 Metodo di Cross (1936) Dimensionamento dei sistemi di condotte Modulo 8 - Lezione 3 Impianti di sollevamento Possibili tracciati altimetrici Modulo 9 - Lezione 1 Correnti a pelo libero: Generalità Energia specifica (caratteristiche energetiche di una corrente) Modulo 9 - Lezione 2 Le equazioni di continuità e dell energia (moto permanente 1D) Moto uniforme Alvei a debole e a forte pendenza Modulo 9 - Lezione 3 Carattere cinematico dei due tipi di corrente Numero di Froude Modulo 9 - Lezione 4 Profili del pelo libero in moto permanente Alvei cilindrici Alvei a debole pendenza (h0>k, i<ic) 5

6 Alvei a forte pendenza Alvei a pendenza critica Alvei a pendenza nulla Alvei in contropendenza Tracciamento quantitativo dei profili di moto permanente Modulo 9 - Lezione 5 Risalto idraulico Passaggio da corrente lenta a veloce Passaggio da corrente veloce a lenta Modulo 9 - Lezione 6 Esempi applicativi Presenza di una paratoia piana in alvei a debole pendenza Presenza di una paratoia piana in alvei a forte pendenza Cambio di pendenza Passaggio sopra una soglia di fondo Modulo 10 - Lezione 1 Introduzione Luci a battente Luci a stramazzo Stramazzo Bazin Stramazzo rettangolare (Hengly) Stramazzi triangolari (Thomson) Stramazzo trapezio (Cipolletti) Stramazzo a larga soglia Processi di moto vario (vuotamento di un serbatoio) Modulo 11 - Lezione 1 Generalità sulle falde acquifere Velocità di filtrazione e permeabilità Emungimento da falda artesiana Emungimento da falda freatica Modulo 12 - Lezione 1 Strumenti di misura: Introduzione Misure di livello: Aste idrometriche, Idrometrografi, Idrometro a punta, Idrometro a galleggiante Sonde ad ultrasuoni, Idrometro (Idrometrografo) a bolle Modulo 12 - Lezione 2 Misure di velocità Misuratori ad ultrasuoni Misuratori elettromagnetici Misuratore di velocità a galleggiante Mulinello idrometrico Modulo 12 - Lezione 3 Strumenti per la misurazione della portata nei canali Misuratori a stramazzo Misuratori a risalto Misuratori area velocità Metodo per mescolanze chimiche 6