Università degli Studi Guglielmo Marconi

Insegnamento
Termofluidodinamica
Docente
Prof. Zummo Giuseppe
Settore Scientifico Disciplinare
ING-IND/06
CFU
6
Obiettivi formativi

Il corso di Termofluidodinamica ha come oggetto lo studio dei processi termici e dinamici che riguardano i fluidi in movimento in presenza di scambi energetici. Al moto del fluido, che può avvenire all’esterno di corpi o all’interno di condotti, è generalmente associato un trasferimento di energia tra i componenti del sistema energetico e tra questi e l’esterno. Inoltre, una parte importante del corso sarà dedicata allo studio della trasmissione di calore con cambiamento di fase (evaporazione e condensazione) di fluidi sia in quiete sia in moto.

Scopo del corso è fornire all’Allievo Ingegnere le conoscenze teoriche e pratiche che vanno a completare quelle acquisite negli anni precedenti (Termodinamica, Trasmissione del calore e Fluidodinamica) per la soluzione dei problemi anche complessi di controllo termico di maggiore interesse in ambito applicativo e industriale, con particolare riferimento a situazioni tipiche del raffreddamento di reattori nucleari. Il corso fornirà anche le conoscenze di base per affrontare nuovi ambiti applicativi delle tecnologie industriali di controllo termico: il trasferimento di calore in microcanali (per il raffreddamento di componenti elettronici) e a gravità ridotta (per le applicazioni spaziali).

Risultati di apprendimento attesi

Al termine di questo corso, lo studente sarà in grado di:

  • conoscere i principi di base della termofluidinamica;
  • comprendere le problematiche legate allo studio dello scambio termico dei fluidi in movimento (con e senza cambiamento di fase);
  • comprendere situazioni tipiche del raffreddamento di reattori nucleari.
Prerequisiti

Non sono richiesti requisiti specifici.

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).

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.

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

Oltre alle lezioni realizzate dal Docente ed ai materiali didattici pubblicati in piattaforma, è obbligatorio lo studio dei seguenti testi:

  • 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
Criteri di valutazione
Tutte le prove di verifica e autoverifica intermedie previste dai Corsi ed erogate in modalità distance learning sono da considerarsi altamente consigliate e utili ai fini della preparazione e dello studio individuali. Le prove di verifica e autoverifica intermedie non sono obbligatorie ai fini del sostenimento della prova d´esame, la quale deve essere svolta in presenza dello studente davanti ad apposita Commissione ai sensi dell´art. 11 c.7 lett.e) del DM 270/2004.
Modalità della prova finale

L´esame si svolge in forma scritta e/o orale.

La prova ha la durata massima di 120 minuti.

Didattica erogativa
L'insegnamento prevede, per ciascun CFU, 5 ore di Didattica Erogativa, costituite da 2,5 videolezioni (tenendo conto delle necessità di riascolto da parte dello studente). Ciascuna videolezione esplicita i propri obiettivi e argomenti, ed è corredata da materiale testuale in pdf.
Didattica interattiva
L'insegnamento segue quanto previsto dalle Linee Guida di Ateneo sulla Didattica Interattiva e l'interazione didattica, e propone, per ciascun CFU, 1 ora di Didattica Interattiva dedicata alle seguenti attività: lettura area FAQ, partecipazione ad e-tivity strutturata costituita da attività finalizzate alla restituzione di un feedback formativo e interazioni sincrone dedicate a tale restituzione.
Ricevimento studenti

Previo appuntamento (g.zummo@unimarconi.it).