INDICE 1 INTRODUZIONE E CONCETTI DI BASE 1 2 PROPRIETÀ DEI FLUIDI 31

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1 INDICE PRESENTAZIONE DELLA TERZA EDIZIONE ITALIANA RINGRAZIAMENTI DELL EDITORE PREFAZIONE ALL EDIZIONE AMERICANA GUIDA ALLA LETTURA XIII XV XVII XXII 1 INTRODUZIONE E CONCETTI DI BASE Introduzione Cos è un fluido? Aree di applicazione della meccanica dei fluidi Breve storia della meccanica dei fluidi La condizione di aderenza Classificazione del moto dei fluidi Moto viscoso o non viscoso Moto confinato o non confinato Fluido comprimibile o incomprimibile Moto laminare o turbolento Moto a gravità o forzato Moto permanente o vario Moto uni-, bi- o tridimensionale Sistema e volume di controllo Dimensioni e unità di misura Alcune unità del SI Omogeneità dimensionale Modellazione matematica di problemi ingegneristici La modellazione in ingegneria Tecnica di risoluzione dei problemi Il software Accuratezza, precisione e cifre significative 25 SOMMARIO 29 2 PROPRIETÀ DEI FLUIDI Introduzione Sistema continuo 32

2 VIII Indice 2.2 Densità La densità dei gas perfetti Tensione di vapore e cavitazione Energia e calori specifici Coefficiente di comprimibilità Coefficiente di dilatazione cubica Celerità e numero di Mach Viscosità Tensione superficiale e capillarità Effetti di capillarità 56 SOMMARIO 58 3 STATICA DEI FLUIDI Pressione Pressione in un punto Variazione della pressione con la quota I manometri Altri strumenti di misura della pressione La pressione atmosferica Introduzione al calcolo delle spinte Spinta su superfici piane Il caso particolare della superficie rettangolare Spinta su superfici curve Galleggiamento e stabilità Equilibrio dei corpi immersi e dei galleggianti Moto rigido dei fluidi Caso particolare 1: Fluidi in quiete Caso particolare 2: Fluido in caduta libera Moto rettilineo uniformemente accelerato Centrifuga 101 SOMMARIO CINEMATICA DEI FLUIDI Descrizione lagrangiana ed euleriana Campo di accelerazione Derivata totale La visualizzazione di un campo di moto Linee di flusso Traiettorie Linee di fumo Linee di tempo Rappresentazione grafica di un campo di moto Profili 121

3 Indice IX Mappe vettoriali Mappe di isolinee Altre descrizioni cinematiche Tipi di moto e di deformazione degli elementi fluidi Vorticità e rotazionalità Confronto tra due moti circolari Il teorema del trasporto di Reynolds Relazione tra la derivata totale e il teorema del trasporto di Reynolds 138 SOMMARIO EQUAZIONI DELLA MASSA, DI BERNOULLI, DELL ENERGIA Introduzione Conservazione della massa Portata di massa e portata volumetrica Equazione di continuità Volume di controllo in movimento Equazione di continuità per il moto permanente Equazione di continuità per i fluidi incomprimibili Equazione di continuità per le correnti Energia meccanica e rendimento Il teorema di Bernoulli Accelerazione di una particella di fluido L equazione di Bernoulli Distribuzione della pressione Moto vario Pressione dinamica Limiti di applicabilità dell equazione di Bernoulli Linea piezometrica e linea dei carichi totali Applicazioni del teorema di Bernoulli Processi di efflusso Luce con tubo addizionale esterno Convergenti e divergenti Equazione generale dell energia Trasmissione di calore Trasferimento di lavoro Equazione dell energia per il moto permanente Il caso del fluido perfetto Coefficiente di ragguaglio della potenza cinetica 187 SOMMARIO 194

4 X Indice 6 EQUAZIONE DELLA QUANTITÀ DI MOTO Leggi di Newton e conservazione della quantità di moto Scelta di un volume di controllo Forze agenti su un volume di controllo L equazione della quantità di moto Moto permanente Coefficiente di ragguaglio della quantità di moto Moto in assenza di forze esterne 206 SOMMARIO ANALISI DIMENSIONALE E MODELLAZIONE Dimensioni e unità di misura Omogeneità dimensionale Adimensionalizzazione delle equazioni Similitudine e analisi dimensionale Il teorema di Buckingham e il metodo delle variabili ripetute Modelli e similitudine incompleta Progettazione delle indagini sperimentali e correlazione dei risultati Similitudine incompleta Prove in galleria del vento Moti a superficie libera 240 SOMMARIO CORRENTI IN PRESSIONE Introduzione Moto laminare e moto turbolento Il numero di Reynolds La regione di ingresso Lunghezza di ingresso Moto laminare Caduta di pressione Tubazioni inclinate Perdita di carico e cadente Tubazioni non circolari Moto turbolento Lo sforzo tangenziale turbolento Il profilo di velocità in moto turbolento La scabrezza I tubi commerciali La formula di Colebrook Problemi di verifica e di progetto Le formule pratiche 276

5 Indice XI 8.6 Perdite localizzate Reti di distribuzione Condotte in serie Condotte in parallelo Impianti di sollevamento Lunghe condotte Problemi di verifica Problemi di progetto Misure di portata e velocità Tubo di Pitot Misuratori a strozzamento: diaframmi, boccagli, venturimetri Misuratori volumetrici Misuratori a turbina Flussimetri ad area variabile (rotametri) Flussimetri a ultrasuoni Misuratori elettromagnetici Anemometri a filo caldo e a film caldo Velocimetria laser Doppler Velocimetria a immagini di particelle (PIV) 324 SOMMARIO EQUAZIONI INDEFINITE DEL MOTO DEI FLUIDI Introduzione L equazione di continuità Applicazione del teorema della divergenza Volume di controllo infinitesimo Formulazione alternativa Equazione di continuità in coordinate cilindriche Casi particolari La funzione di corrente L equazione della quantità di moto Applicazione del teorema della divergenza Volume di controllo infinitesimo Formulazione alternativa Seconda legge di Newton L equazione di Navier-Stokes Introduzione Fluidi newtoniani e fluidi non newtoniani Fluidi incomprimibili e isotermi Equazioni in coordinate cartesiane Equazioni in coordinate cilindriche Applicazioni Determinazione del campo di pressione Soluzioni analitiche 358 SOMMARIO 367

6 XII Indice 10 SOLUZIONI APPROSSIMATE DELL EQUAZIONE DI NAVIER-STOKES Introduzione Equazioni adimensionali del moto Moto non viscoso Equazione di Bernoulli Moto irrotazionale Equazione di continuità Equazione del moto Equazione di Bernoulli Moto irrotazionale bidimensionale La tecnica della sovrapposizione Lo strato limite Le equazioni dello strato limite La procedura di risoluzione Spessore di spostamento Spessore di quantità di moto Strato limite turbolento su lastra piana La soluzione integrale degli strati limite 398 SOMMARIO MOTO ATTORNO AI CORPI: RESISTENZA E PORTANZA Introduzione Azione di trascinamento e portanza Resistenza d attrito e di forma Riduzione della resistenza con la sagomatura Distacco della vena fluida Coefficienti di resistenza per le forme più comuni Sistemi viventi e resistenza al moto Coefficienti di resistenza degli autoveicoli Moto su lastra piana parallela Coefficiente d attrito Moto attorno a cilindri e sfere Effetto della scabrezza della superficie Portanza Portanza generata dalla rotazione 429 SOMMARIO MOTO DEI FLUIDI COMPRIMIBILI Grandezze di ristagno Moto isoentropico unidimensionale Variazione della velocità del fluido con l area della sezione trasversale 443

7 Indice XIII Moto isoentropico di un gas ideale Moto isoentropico negli ugelli Ugelli convergenti Ugelli convergenti-divergenti Onde d urto e onde di espansione Onde d urto normali Onde d urto oblique Onde di espansione di Prandtl-Meyer Moto con scambio di calore e resistenze trascurabili (flusso di Rayleigh) Relazioni tra le grandezze caratteristiche del flusso di Rayleigh Flusso di Rayleigh soffocato Moto adiabatico con resistenze non trascurabili (flusso di Fanno) Relazioni tra le grandezze caratteristiche nel flusso di Fanno Flusso di Fanno soffocato 494 SOMMARIO CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA Classificazione dei moti a superficie libera Moto uniforme Moto laminare e moto turbolento Il numero di Froude e la celerità Celerità L energia specifica Le equazioni di continuità e dell energia Moto uniforme Pendenza critica Alvei con golene Alvei a scabrezza non uniforme Le sezioni di minimo costo Canali a sezione rettangolare Canali a sezione trapezia Moto gradualmente variato Profili di corrente Alcuni esempi applicativi Integrazione numerica dell equazione del moto Risalto idraulico Esempi applicativi Regolazione e misura della portata Paratoie a battente Stramazzi 554 SOMMARIO 566

8 XIV Indice 14 INTRODUZIONE ALLA FLUIDODINAMICA COMPUTAZIONALE Introduzione Equazioni del moto Procedura di risoluzione Altre equazioni del moto Generazione della griglia e indipendenza dalla griglia Condizioni al contorno Il ruolo della pratica Applicazione a casi di moto laminare Moto nella regione di ingresso di una tubazione in pressione per Re Moto attorno a un cilindro per Re Applicazione a casi di moto turbolento Moto attorno a un cilindro per Re Moto attorno a un cilindro per Re Applicazione a casi di moto di fluidi comprimibili Moto di un fluido comprimibile in un ugello convergente-divergente Onde oblique su un cuneo Applicazione a casi di moto a superficie libera Passaggio su una soglia di fondo Passaggio sotto una paratoia 611 SOMMARIO 612 INDICE ANALITICO 615 ESERCIZIARIO E1