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IDRAULICA

Anno accademico e docente
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English course description
Anno accademico
2020/2021
Docente
ALESSANDRO VALIANI
Crediti formativi
6
Periodo didattico
Secondo Semestre
SSD
ICAR/01

Obiettivi formativi

Il modulo rappresenta il naturale raccordo tra la meccanica dei fluidi di base e l’Ingegneria Idraulica, affrontando lo studio dell’idraulica delle correnti, in pressione e a superficie libera. Tratta altresì alcuni problemi tecnici tipici, ancorché con una impostazione essenzialmente di base, quali il dimensionamento e funzionamento di reti di condotte in pressione in moto permanente e vario, e di canali a superficie libera in moto uniforme, permanente e vario.
L’obiettivo principale di questo modulo consiste nell’applicare i concetti meccanici (capacità di gestire bilanci di massa, quantità di moto, energia), acquisiti nel modulo di meccanica dei fluidi, ai problemi idraulici applicativi di interesse tecnico, principalmente l’idraulica delle correnti, nonché ai casi più classici dei moti di filtrazione. Verranno altresì affrontati alcuni approfondimenti di meccanica dei fluidi (strato limite laminare e turbolento), volti a comprendere l’origine delle resistenze al moto.
Le principali conoscenze che si dovrebbero acquisire sono:
• Equazioni fondamentali che governano il moto permanente e vario nelle condotte in pressione.
• Equazioni fondamentali che governano il moto uniforme, permanente e vario nei corsi d’acqua (artificiali e naturali) a superficie libera.
• Elementi essenziali dei moti di filtrazione.
• Elementi essenziali per lo studio dello strato limite laminare e turbolento.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) che si dovrebbero acquisire sono:
• Valutare le resistenze al moto, sia laminari che turbolenti, nei moti esterni ed interni, con particolare riguardo a questi ultimi.
• Dimensionare e verificare sistemi semplici di condotte in pressione in moto permanente e vario.
• Dimensionare e verificare canali a superficie libera in moto uniforme e permanente.
• Impostare correttamente problemi di moto vario nei canali a superficie libera.

Prerequisiti

Si sottolinea l’importanza fondamentale di una approfondita attenzione a questo aspetto.
Per quanto riguarda la padronanza degli strumenti fisico-matematici necessari, si rimanda a quanto riportato nel modulo Meccanica dei fluidi. È inoltre ovvio che la proficua frequenza del modulo di Idraulica richieda la preventiva frequenza del modulo Meccanica dei fluidi. Il sostenimento delle prove d’esame deve essere affrontato nell’ordine prescritto. Le prove finali di Idraulica non potranno essere affrontate senza prima aver superato con esito positivo entrambe le prove di Meccanica dei fluidi.

Contenuti del corso

Il modulo prevede 60 ore di didattica, che consistono in 52 ore di lezioni teoriche ed esempi applicativi e/o numerici, nonché in 8 ore di supporto allo svolgimento di esercizi, del tutto analoghi a quelli proposti nelle prove d’esame, con esempi numerici ed approfondimento degli aspetti pratici.
Le tematiche affrontate nel modulo sono le seguenti.
ANALISI DIMENSIONALE (4 h)
Teorema Pi-greco. Numeri puri nella meccanica dei fluidi. Le resistenze al moto come problema di analisi dimensionale.
MOTO PERMANENTE NELLE CONDOTTE IN PRESSIONE (8 h)
Variazioni di sezione. Perdite localizzate. Condotte in serie ed in parallelo. Sifoni. Reti di condotte a rami ed a maglie. Erogazioni di portata. Esempi applicativi. Impianti di pompaggio e di turbinaggio.
MOTO VARIO NELLE CONDOTTE IN PRESSIONE (10 h)
Equazioni di continuità e del moto. Oscillazioni di massa. Oscillazioni elastiche. Equazioni semplificate. Soluzione generale. Condizioni iniziali e al contorno. Manovre brusche e lente. Sovrappressioni. Equazioni concatenate di Allievi. Metodo grafico. Metodo delle caratteristiche. Condizioni al contorno.
MOTO UNIFORME DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA (5 h)
Carico specifico e profondità critica. Correnti veloci e lente. Pendenza critica. Calcolo delle resistenze. Scale di deflusso. Alvei a sezione composita.
MOTO PERMANENTE DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA (15 h)
Alvei cilindrici. Profili di rigurgito. Condizioni al contorno. Soluzione di Bresse. Alvei non prismatici. Risalto idraulico. Profili di rigurgito. Ostacoli, stramazzi.
MOTO VARIO DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA (3 h)
Propagazione di perturbazioni ondose senza resistenze. Metodo delle caratteristiche. Condizioni al contorno.
MOTI DI FILTRAZIONE (3h)
Caratteristiche del fluido e dell'ammasso. Legge di Darcy. Trincea filtrante in pressione ed a superficie libera. Pozzo in falda artesiana e pozzo in falda freatica.
MOTI IRROTAZIONALI PIANI (cenni)
Potenziale di velocità per moti irrotazionali. Potenziale vettore per moti isocori. Funzione di corrente. Moti piani isocori irrotazionali. Moti elementari e loro composizione.
STRATO LIMITE (4h)
Teoria dello strato limite laminare su lastra piana liscia. Problemi di scala e analisi dimensionale. Soluzione di Blasius. Bilancio integrale di quantità di moto e conseguente soluzione. Problemi di separazione. Resistenza del cilindro e della sfera.
SVOLGIMENTO COMPLETO DI ESERCIZI D’ESAME (8 h)

Metodi didattici

Il corso è organizzato nel seguente modo:
• lezioni frontali sui contenuti del corso;
• esempi applicativi volti ad illustrare le applicazioni pratiche delle nozioni impartite;
• supporto allo svolgimento (incluso i calcoli numerici) di esercizi di simulazione delle prove d’esame.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati. L’esame di Idraulica non può essere sostenuto senza prima aver superato con esito positivo l’esame di Meccanica dei fluidi.
L’esame è diviso in due parti, una prova scritta ed una prova orale, che hanno luogo in date diverse.
• La prova scritta, della durata di due ore e mezzo, consiste nello svolgimento di due esercizi, di identico peso nella valutazione, inerenti: 1) il calcolo idraulico di semplici reti di condotte in moto permanente; 2) il calcolo idraulico di profili di corrente in canali rettangolari molto larghi a superficie libera in moto permanente. Un risultato di almeno 16/30 nella prova scritta è condizione necessaria per l’ammissione alla prova orale. La validità della prova scritta, se positiva (valutazione maggiore o uguale a sufficiente), è di dodici mesi. La validità della prova scritta, se non completamente positiva (valutazione quasi sufficiente o ammissione con riserva) scade alla data della prova scritta successiva.
• La prova orale verte prevalentemente sugli argomenti del corso non correttamente risolti nella prova scritta o in tale prova non affrontati. In ogni caso verranno affrontati il calcolo delle sovrappressioni nei problemi di colpo d’ariete, ulteriori problematiche inerenti alle correnti a superficie libera in moto permanente nei canali, nonché la trattazione di un argomento a carattere maggiormente teorico. La valutazione finale consiste in un voto, espresso in trentesimi, non corrispondente alla media aritmetica tra prova scritta e prova orale ma ad un giudizio globale sulle prove d’esame (comunque non inferiore alla suddetta media aritmetica). Il candidato che si ritiri durante la prova orale deve ripetere la prova scritta, ma solo se il risultato di tale prova è non completamente positivo (inferiore a sufficiente).

Testi di riferimento

Testo di riferimento: Appunti del corso.
Testi di approfondimento:
• MARCHI E., RUBATTA A., Meccanica dei fluidi. Principi ed applicazioni idrauliche. UTET, 1981.
• MOSSA M., PETRILLO A. F., Idraulica, CEA, Milano, 2013.
• MONTEFUSCO L., Lezioni di Idraulica. Pitagora Editrice, Bologna, 2005.
• CITRINI D., NOSEDA G., Idraulica. CEA, 1987.
• GHETTI A., Idraulica, Ed. Cortina, Padova, Ultima ediz. .
• LIGGET J.A., CAUGHEY D. A., Fluid Mechanics. An Interactive Text. ASCE Press, Reston, VA, 1998.
• WHITE F. M., Fluid Mechanics, Mc Graw Hill Intern. Student Ed., 1979.
• CENGEL Y.A., CIMBALA J. M., Meccanica dei fluidi, IV edizione, McGraw-Hill Education, Milano, 2020 (edizione italiana a cura di G. Cozzo e C. Santoro).