Finalità del corso

Oggetto del corso è lo studio delle macchine a fluido, con particolare riferimento alle macchine operatrici a fluido incomprimibile e comprimibile e ai motori alternativi a combustione interna ad accensione comandata. Per le macchine suddette, oltre alle nozioni di base, sono forniti gli strumenti fisico-matematici e metodologici per l’analisi del loro comportamento dinamico e in condizioni di fuori progetto, al fine di valutarne le logiche di controllo. Particolare attenzione viene rivolta alla modellizzazione in stato non stazionario delle macchine, presentando esempi di implementazione dei modelli in ambiente Matlab®.

Argomenti sviluppati

1) Introduzione alla fluidodinamica e alle equazioni fondamentali dello scambio termico: definizioni fondamentali, moto laminare e turbolento, legge di Newton. Perdite di carico concentrate e distribuite, diagramma di Moody, analogia elettrica. Definizioni fondamentali dello scambio termico, equazione di Fourier e sua generalizzazione in presenza di convezione. Derivata sostanziale. Raggruppamenti adimensionali. Determinazione del coefficiente di convezione mediante correlazioni.

2) Equazioni del moto dei fluidi: equazione di conservazione dell'energia in forma entalpica e meccanica per condotti fissi e mobili. Velocità del suono. Equazioni del flusso stazionario unidimensionale isentropico di un gas perfetto in un condotto di area variabile.

3) Pompe dinamiche: architettura della pompa centrifuga, velocità caratteristica, triangoli di velocità. Prevalenza, curve di prestazione. Cavitazione, definizione di NPSH richiesto e disponibile, determinazione dell'altezza massima di aspirazione (esatta e approssimata). Determinazione del punto di funzionamento e regolazione. Caratteristica di pompe in serie e in parallelo.

4) Le pompe volumetriche. Definizione di cilindrata, portata teorica e reale, caratteristica teorica e reale. Valutazione della potenza e del rendimento. Architetture di pompe volumetriche rotative e alternative.

5) I compressori dinamici. Caratteristiche peculiari dello stadio di compressore assiale e centrifugo. Il compressore centrifugo: architettura (pale all'indietro), triangoli di velocità, espressione del lavoro. Lo stadio di compressore assiale: trasformazione termodinamica, triangoli di velocità, espressione del lavoro, rapporto di compressione di stadio. Rendimento politropico. Curve caratteristiche di macchine operatrici a fluido comprimibile. Surge: teoria elementare, condizione di stabilità e derivazione della frequenza di pompaggio. Stallo del compressore. Off-design performance. Tecnica di stage stacking. Cenni sui compressori twin-spool e con IGV orientabili.

6) La simulazione dinamica delle macchine. Modello fisico matematico. Equazione generale di bilancio. Equazione di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia. Equazioni dinamiche dello scambio termico. Derivazione della forma integrale delle equazioni di conservazione (caso di andamento lineare tra i nodi delle grandezze di stato e caso di costanza dei valori nei nodi). Forma integrale semplificata delle equazioni di conservazione della massa e della quantità di moto. Dinamica delle masse rotanti. Apparato sperimentale. Cenni alle problematiche relative alla misure di temperatura, pressione e portata. Realizzazione in ambiente Simulink dei moduli per la simulazione dinamica di un compressore dinamico: intake duct, compressor ed exhaust duct. Esempi di simulazioni. Analisi di sensibilità del modello realizzato. Modulo per la simulazione dello scambio termico e della dinamica delle masse.

7) Motori alternativi a combustione interna. Cicli termodinamici teorici Otto, Diesel e Sabathè. Confronti. Diagrammi di indicatore ideali e reali. Valutazione della potenza: definizione di tonalità termica, pressione media indicata e pressione media effettiva. Curve di prestazione dei motori alternativi a combustione interna. Cenni su: combustione, detonazione, architetture e sistemi di alimentazione. Emissioni inquinanti e tecniche per il loro contenimento. Dinamica dei motori a combustione interna: equazioni della dinamica dell'aria e delle masse. Sistemi alfa-speed e speed-density. Regolazione dei motori alternativi a combustione interna ad accensione comandata in catena aperta, in retroazione e in transitorio.

Testi consigliati

- Minelli G., 1985, Macchine idrauliche, Pitagora Editrice, Bologna

- Bettocchi, R., Spina, P.R., - Propulsione aeronautica con turbogas - 2a Ed. - Pitagora Ed., Bologna, 2002.

- Singh K., Agnihotri G., 2001, System Design through MATLAB, Control Toolbox and Simulink, Springer-Verlag;

- Minelli G., 1985, Motori endotermici alternativi, Pitagora Editrice, Bologna;

- Cantore G. Macchine Progetto Leonardo (Ed. Esculapio), 1996.

Testi di consultazione

- Cornetti, G. - Macchine idrauliche - Vol. 1, Ed. Il Capitello

- Cohen H., Rogers G.F.C., Saravanamuttoo H.I.H. - Gas Turbine Theory - Longman, 1996.

- Horlock J.H. - Axial Flow Compressors - Butterworths, 1958.

- Osnaghi C. Teoria delle turbomacchine Progetto Leonardo, Bologna, 2002.

- Sandrolini S., Naldi G. Macchine 1. Fluidodinamica e termodinamica delle turbomacchine Pitagora, 1997.

- Sandrolini S., Naldi G. Macchine 2. Le turbomacchine motrici e operatrici Pitagora, 1998.

- Heywood J. B. - Internal combustion engine fundamentals - McGraw-Hill, 1988.

- Ferrari G. - Motori a combustione interna - Ed. Il Capitello, 1995

- Brown F. T. - Engineering system dynamics - Marcel Dekker, 2001

- Blair G. P. - Design and simulation of four-stroke engines - Society of Automotive Engineers, 1999

- Cornetti, G. - Macchine termiche - Vol. 2, Ed. Il Capitello