Termofluidodinamica

Università Telematica Guglielmo Marconi
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Descrizione

L’Università degli Studi Guglielmo Marconi, è la prima Università “aperta” (Open University), riconosciuta dal MIUR con D.M. 1 marzo 2004, che unisce metodologie di formazione “a distanza” (materiale a stampa, dispense, Cd Rom, piattaforma e-learning) con le attività di formazione frontale (lezioni, seminari, laboratori, sessioni di ripasso e approfondimento) al fine di raggiungere i migliori risultati di apprendimento per lo studente.

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Moto
Termica
Calcolo
Gas

Programma

Programma del Corso

DISCIPLINA

Termofluidodinamica

CODICE DISCIPLINA:1859

CREDITI: 06

DOCENTE

Matteo Martini

OBIETTIVI E FINALITÀ DELL´INSEGNAMENTO

Il corso si prefigge l’obiettivo di fornire una base culturale nel campo della termofluidodinamica necessaria all’ingegnere industriale che sceglie l’indirizzo nucleare per poter comprendere le problematiche legate allo studio dello scambio termico di fluidi in movimento, con particolare riferimento a situazioni tipiche del raffreddamento di reattori nucleari.

PROGRAMMA DEL CORSO

Moto dei fluidi
Definizione di fluido, Condizioni di aderenza, Regioni viscose e non viscose, Moti esterni e moti interni, Moto laminare e moto turbolento, Strato limite laminare (moto esterno), Strato limite turbolento (moto esterno, equazioni, legge della parete), Strato limite (moto esterno, spessore e tensioni di taglio), Moto laminare in condotti (fattori di attrito), Moto turbolento in condotti (fattori di attrito, tubi lisci, tubi scabri), Transizione laminare-turbolento in condotti (fattori di attrito), Equazione di Bernoulli, Perdite per attrito concentrate

Trasmissione del calore (generalità)
Conduzione (stazionario e transitorio)
Regime Stazionario: Meccanismi di scambio termico per conduzione, Conducibilità termica di gas, liquidi, solidi, Equazione generale della conduzione, Condizioni ai limiti spazio-temporali, Condizioni al contorno, Conducibilità 1-D senza sorgenti termiche interne: lastra piana, cilindro, Conducibilità 1-D in cilindri: raggio critico di isolamento, Conducibilità 1-D con sorgenti termiche interne: lastra piana, cilindro, Conducibilità 1-D in mezzi a superfici esterne non isoterme, Efficacia ed efficienza di un’aletta (rif. barra molto lunga), Tipici andamenti di efficienza di alette
Regime Variabile: Conduzione in regime variabile – sistemi a temperatura uniforme, sistemi a temperatura non uniforme (corpi solidi seminfiniti e corpi solidi finiti)
Irraggiamento
Generalità, Trasmissione del calore per irraggiamento, Potere Emissivo, Irradiazione e Radiosità, Corpo nero, legge di Stefan-Boltzmann, Equazioni dello scambio termico
Convezione
Generalità, Relazione con la conduzione, Importanza del moto del fluido, Il numero di Nusselt, Tipo di moto, Strato limite termico
Convezione forzata esterna – lastra piana, deflusso parallelo, moto laminare, lastra piana, deflusso parallelo, moto turbolento, lastra piana (deflusso parallelo, zona di ingresso non riscaldata, flusso termico uniforme)
Convezione forzata in condotti, Campo di velocità, Campo di temperatura, Moto laminare, Moto turbolento
Convezione naturale, Caratteristiche fenomenologiche, Convezione naturale esterna (lastra piana verticale ed orizzontale, cilindri orizzontali), Convezione naturale in spazi confinati (cavità orizzontali e verticali)
Convezione mista

Ebollizione, Caratteri generali dell’ebollizione
Ebollizione in un liquido in quiete, pool boiling

Esperimento di Nukiyama (1934), Curva di ebollizione dell’acqua, Regimi di scambio termico, Ebollizione a nuclei e suo innesco, Scambio termico in regime di bolle isolate, Correlazioni per il calcolo del coefficiente di scambio termico, Transizione dal regime di bolle isolate al regime a slug e colonne di vapore, Commento sulle correlazioni ed esempi di calcolo dello scambio termico con alcune correlazioni, Generalità sulla crisi termica, Teorie proposte per la predizione della crisi termica in pool boiling, Correlazioni per il calcolo della crisi termica in pool boiling, Crisi termica su riscaldatori di piccole dimensioni, Esempi di calcolo, Effetti parametrici sul pool boiling e sulla crisi termica
Ebollizione in un fluido in moto (convezione forzata, flow boiling)
Generalità, Principali parametri termoidraulici bifase e loro interrelazione, Definizione termodinamica del titolo di vapore, Deflusso bifase in tubo con flusso imposto alla parete, Innesco dell’ebollizione, ONB (onset of nucleate boiling), Correlazioni per il calcolo dello scambio termico (Chen, Shah), Distribuzione delle fasi, flow pattern – tubi verticali ed orizzontali, Mappe di deflusso, flow pattern maps – tubi verticali ed orizzontali, Frazione di vuoto (metodi di calcolo), Perdite di carico (metodi di calcolo)
Crisi termica (CHF) nell’ebollizione in un fluido in moto
Effetto del tipo di riscaldamento, Tipologia di crisi termica
Ebollizione sottoraffreddata, Effetti parametrici nel CHF in ebollizione sottoraffreddata (sottoraffreddamento, velocità, pressione e proprietà del fluido, diametro, lunghezza e orientazione del canale, spessore e materiale del canale, distribuzione del flusso termico, gas disciolti), Tecniche di enhancement del CHF in ebollizione sottoraffreddata (twisted tapes, helically coiled wires, effetto hypervapotron), Necessità di determinazione del CHF a fini progettuali e di verifica, nell’ebollizione sottoraffreddata in convezione forzata, Correlazioni empiriche per il calcolo del CHF in ebollizione sottoraffreddata, Visualizzazione del CHF nell’ebollizione sottoraffreddata in convezione forzata per la comprensione dei meccanismi fisici dell’insorgenza della crisi termica, Modelli meccanicistici per il calcolo del CHF nell’ebollizione sottoraffreddata in convezione forzata: panoramica e breve descrizione, Dettaglio del modello basato sulla near wall bubble crowding theory, Meccanismo fisico di base del liquid sublayer dryout theory e sua evidenza fotografica, Evoluzione cronologica dei modelli basati sulla liquid sublayer dryout theory, Descrizione dei parametri chiave dei modelli basati sulla liquid sublayer
dryout theory e prestazioni comparate, Criticismo fisico del funzionamento della liquid sublayer dryout theory e descrizione della superheated layer vapour replenishment theory come miglioramento della precedente, Prestazioni della superheated layer vapour replenishment theory
Ebollizione satura, Effetti parametrici nel CHF in ebollizione satura: sottoraffreddamento (velocità, pressione, diametro, lunghezza e orientazione del canale, direzione del deflusso, spessore del canale, distribuzione del flusso termico, composizione della miscela), Necessità di determinazione del CHF a fini progettuali e di verifica, nell’ebollizione satura in convezione forzata, Correlazioni empiriche per il calcolo del CHF in ebollizione satura (CISE, Westinghouse W-3, Katto & Ohno), Flusso termico assialmente non-uniforme, Modelli meccanicistici per il calcolo del CHF nell’ebollizione satura in
convezione forzata: panoramica e breve descrizione (DNB: modello di Kirby, modello di Pei-Weisman; dryout: modello di Govan-Hewitt)
Crisi termica in condizioni transitorie
Generalità, Crisi termica durante transitori di portata, Crisi termica durante transitori di pressione, Crisi termica durante transitori di potenza, Crisi termica durante transitori complessi (multipli), L’approccio quasi-stazionario per l’analisi della crisi termica in transitorio, Limiti del metodo quasi-stazionario

Scambio termico in ultracrisi
Generalità, Film boiling (moto laminare e moto turbolento), Liquid deficient region (correlazioni
empiriche, correlazioni con disequilibrio termodinamico, modelli teorici), Ribagnamento di parete ad alta temperatura

Ebollizione di miscele binarie
Generalità, Degradazione dello scambio termico, Evidenze sperimentali, Correlazioni di scambio termico, Crisi termica (andamenti e correlazioni)

Ebollizione in assenza di gravità
Generalità, Ambiente per prove in assenza di gravità – volo parabolico (sequenza delle parabole, interno dell’aereo), Possibile scenario dell’ebollizione, Dimensione delle bolle ed effetto sullo scambio termico, Mappatura effetto del livello di gravità sullo scambio termico, Flow pattern e flow pattern map, Crisi termica

Scambio termico in microcanali (generalità)
Scambio termico in monofase: Effetti di scala (lunghezza di assetto termico, conduzione assiale, dissipazione viscosa) e transizione da macro a microscala, Quadro delle ricerche e situazione generale delle conoscenze,
Scambio termico in ebollizione: Effetti di scala in bifase (confinamento della bolla e prevalenza della tensione superficiale sulla forza di galleggiamento), transizione da macro- a microscala, criteri di transizione ed effetto della forza di inerzia, Interpretazione corrente delle evidenze sperimentali, modellistica e prospettive future, Problematiche di instabilità (canali paralleli, canali singoli, previsione), Situazione generale delle conoscenze

Efflusso critico
Efflusso critico di fluidi monofase, Generalità, Dimostrazione delle condizioni di raggiungimento della velocità del suono nel mezzo, Comprimibilità del fluido e descrizione quantitativa nel caso di gas e vapore (portata e pressione critica)
Efflusso critico di miscele bifase, Generalità e problematiche specifiche, Velocità del suono in miscele bifase (modello omogeneo di equilibrio e modello frozen state), Descrizione quantitativa dell´efflusso critico nei sistemi bifase (modello omogeneo, e modelli di disequilibrio termodinamico), Portata e pressione critica, Influenza degli incondensabili nell’efflusso critico bifase

Flooding
Generalità, La fenomenologia del flooding – modalità di insorgenza, OF, onset of flooding, CCFL, countercurrent flow limitation, e partial delivery region, Perdite di carico durante le condizioni di flooding, Descrizione quantitativa del flooding, Situazioni complesse (presenza di ostruzioni nel canale di deflusso, analisi di geometrie simili delle ostruzioni, tubi inclinati), Effetto di isteresi

Condensazione
Generalità e modalità di condensazione (a film, a gocce, per contatto diretto, omogenea), Condensazione all´esterno (pareti tubi), Condensazione laminare a film su piastra verticale: teoria di Nusselt; Analisi dello strato limite; Analisi degli effetti di interfaccia (attrito interfacciale, ondulazione del film di condensato), Analisi del moto turbolento, Condensazione su tubo orizzontale e su fascio tubiero, Effetto della presenza di incondensabili, Condensazione all´interno di tubi orizzontali

LIBRI DI TESTO

Materiale didattico a cura del docente pubblicato sulla piattaforma

  • G. Guglielmini e C. Pisoni
    Introduzione alla Trasmissione del Calore, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 2002
  • John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V A Heat Transfer Textbook, 3rd edition http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html
    (scaricabile gratuitamente. A volte si raggiunge il numero massimo di copie scaricabili ed è necessario aspettare il mese successivo; nel tal caso contattare il docente del corso)
  • J.R. Thome
    Engineering Data Book III, Wolverine Tube, Inc.
    http://www.wlv.com/products/databook/db3/DataBookIII.pdf
    (scaricabile gratuitamente)
  • J.G. Collier and J.R. Thome
    Convective Boiling and Condensation
    3rd ed., Oxford, 1994

MODALITA´ D´ESAME

Prova scritta e/o orale

RICEVIMENTO STUDENTI

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