Insegnamento IDRAULICA
| Nome del corso di laurea | Ingegneria civile e ambientale |
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| Codice insegnamento | 70016010 |
| Curriculum | Comune a tutti i curricula |
| Docente responsabile | Bruno Brunone |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 10 |
| Regolamento | Coorte 2020 |
| Erogato | Erogato nel 2021/22 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Ingegneria ambientale e del territorio |
| Settore | ICAR/01 |
| Anno | 2 |
| Periodo | Annuale |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | Italiano |
| Contenuti | Equazioni fondamentali in forma locale Caratteri degli sforzi e metodi di analisi del campo di moto. Equazione locale di continuità. Equazione indefinita dell'equilibrio dinamico. Equazione di stato. Casi particolari Idrostatica. Fluidi perfetti (Equazione di Eulero e Teorema di Bernoulli). Correnti gradualmente variate. Equazione fondamentale della foronomia. Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente di sezione finita. Equazioni e grandezze globali Teorema del Trasporto e sue applicazioni (equazione globale di continuità, equazione globale dell'equilibrio dinamico, significato energetico del carico idraulico totale). Equazione di continuità per una corrente. Moto dei fluidi reali Estensione del teorema di Bernoulli alle correnti di liquidi reali. Esperienza di Reynolds: moto laminare e moto turbolento. Formule di resistenza e loro rappresentazione. Brevi condotte: problemi di verifica Lunghe condotte: problemi di verifica e progetto Moto vario nelle correnti in pressione Correnti a pelo libero in moto permanente Moti di filtrazione |
| Testi di riferimento | L'IDRAULICA è quella che si definisce una disciplina assestata, in virtù della sua lunga tradizione. Come indicato nella sezione "Metodi didattici", lo svolgimento del corso è originale. Tuttavia, utile supporto è rappresentato dal classico volume: Citrini, G. Noseda: IDRAULICA, casa editrice Ambrosiana, Milano. E' opportuno sottolineare che sia Citrini sia Noseda furono all'epoca dei brillanti docenti e ricercatori. Ad integrazione, gli studenti possono fare riferimento ai seguenti testi di esercizi: Brunone, B., Ferrante, M., Berni, A. Esercizi di Idraulica – parte I. Morlacchi Editore, Perugia. Brunone, B., Ferrante, M., Meniconi, S., e Almandori, C.. Esercizi di Idraulica – parte II. Morlacchi Editore, Perugia. curati dai docenti del corsi e nei quali tutti gli esercizi sono risolti completamente e per ciascun argomento è proposta una sintesi dei principali concetti. Durante il corso agli studenti viene fornito, su supporto elettronico, il fascicolo: Montuori: Le equazioni globali della meccanica dei fluidi e l'interpretazione energetica del carico idraulico. Al fine di migliorare la comunicazione fra studenti e docenti - non solo per lo scambio di materiale didattico ma anche per l'organizzazione delle sedute di esame e di lezioni suppletive - è attiva la pagina facebook del corso: https://www.facebook.com/groups/1513886798879041/ |
| Obiettivi formativi | Il corso di IDRAULICA rappresenta il primo insegnamento nel campo del controllo di gestione delle risorse idriche. Esso vuole fornire allo studente le conoscenze fondamentali per una analisi quantitativa di tutti i problemi che interessano il ciclo delle acque. Il primo obiettivo del corso è quello di tradurre i principi fondamentali della meccanica (principio di conservazione della massa e seconda equazione della dinamica) in equazioni nelle quali compaiano esplicitamente le grandezze che caratterizzano i processi di moto tipici dell'Idraulica. In tale contesto vengono seguiti sia l'approccio locale - che porta ad equazioni valide in un volume infinitesimo - sia quello globale - che porta ad equazioni valide per volumi finiti. Particolare attenzione viene quindi dedicata al caso delle correnti che rappresenta il carattere peculiare dell'Idraulica rispetto alla Meccanica dei Fluidi: è infatti il concetto di corrente che consente di semplificare i problemi rendendo possibile l'analisi di problemi relativi ad impianti e sistemi idrici mediante l'uso di limitate risorse di calcolo. Le principali conoscenze acquisite saranno: - "traduzione" in forma di equazione dei principi fondamentali della meccanica, sia in termini locali sia globali; - schematizzazione dei processi di moto in correnti, eventualmente gradualmente variate; - caratteri fondamentali delle correnti in pressione e a pelo libero; - definizione della dipendenza o meno dal tempo delle grandezze che caratterizzano i processi di moto; - definizione dei problemi di verifica e progetto in termini di grandezze rispettivamente note e incognite; - definizione dei caratteri principali dei moti turbolenti; - inquadramento dell'apporto sperimentale allo sviluppo della disciplina; - consapevolezza nell'impiego di relazioni di origine sperimentale. |
| Prerequisiti | Al fine di comprendere e saper applicare i più importanti concetti illustrati e discussi nell'ambito dell'insegnamento di IDRAULICA è necessario che lo studente abbia superato l'esame di Analisi Matematica I e che conosca - presumibilmente perché li ha seguiti - gli argomenti trattati nei corsi di Geometria Analitica e Fisica; inoltre è opportuno che segua con impegno i contemporanei corsi di Meccanica Razionale e Analisi Matematica II. In particolare è necessario che lo studente abbia dimestichezza con: i concetti di funzione continua, limite, derivata e integrale (semplice, di superficie e di volume) - non solo dal punto di vista dell'analisi matematica ma soprattutto da quello della Meccanica - le funzioni esponenziale e trigonometriche, le equazioni fondamentali della Meccanica (principio di conservazione della massa, equazione di Newton e teorema della quantità di moto). Con riferimento alle applicazioni numeriche, che costituiscono parte importante del corso, è necessario che lo studente sia in grado di risolvere numericamente equazioni implicite mediante le più elementari tecniche dell'analisi numerica (ad esempio: metodo del dimezzamento). |
| Metodi didattici | Il corso prevede lezioni di teoria ed esercitazioni. Le lezioni di teoria riguardano tutti gli argomenti del programma. L'approccio seguito prevede la derivazione delle equazioni nel caso più generale e la loro successiva specializzazione con riferimento a casi particolari. Ad esempio, ricavata l'equazione locale dell'equilibrio dinamico, il caso dei liquidi in quiete (Idrostatica) e quello dei fluidi perfetti vengono affrontati come casi particolari dell'equilibrio dinamico. Nel corso delle lezioni di teoria, a completamento delle trattazioni analitiche, vengono proposti e risolti qualitativamente dei problemi, spesso di diretto interesse ingegneristico. Nelle lezioni dedicate alle esercitazioni, la soluzione dei problemi viene spinta fino al raggiungmento del risultato numerico, anche al fine di fornire agli allievi i necessari ordini di grandezza. Nelle esercitazioni è fondamentale il ciclo di lezioni sull'impiego del codice EPANET e sul dispositivo AQUALIBRIUM, strumenti molto utili per comprendere il funzionamento di sistemi complessi di condotte in pressione. Informazioni su EPANET e AQUALIBRIUM si possono trovare, ad esempio, rispettivamente ai seguenti indirizzi: http://epanet.de/ http://www.aqualibriumcompetition.net/joomla/ Utile completamento alla preparazione è rappresentato dalle visite ed eserctazioni svolte presso il laboratorio di Ingegneria delle Acque del Dipartimento di Ingegneria delle Acque, struttura dotata di alcune delle più importanti installazioni sperimentali nel campo delle correnti in pressione. Informazioni sul laboratorio di Ingegneria delle Acque si possono trovare al seguente indirizzo: http://www.ing1.unipg.it/laboratori/sede-principale/laboratorio-di-ingegneria-delle-acque |
| Altre informazioni | Attività di didattica integrativa: Visite sono effettuate presso il Laboratorio di Ingegneria delle Acque del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale per meglio illustare i caratteri delle correnti in pressione, in moto stazionario e vario, e di quelle a pelo libero. Un ciclo di lezioni è dedicato all'utilizzo congiunto del software EPANET e del dispositivo AQUALIBRIUM, quest'ultimo allestito presso il laboratorio. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | A completa discrezione dello studente, l'esame può svolgersi secondo due differenti modalità: in due soluzioni o in un'unica soluzione. Modalità "due soluzioni" - In questo caso l'esame prevede una prova scritta - da sostenersi immediatamente prima dell'inizio del secondo semestre - e una prova orale finale. La prova scritta consiste nel rispondere in maniera dettagliata (ossia citando chiaramente tutte le ipotesi di partenza, gli sviluppi analitici e le implicazioni di tipo applicativo) ad alcune domande (tipicamente tre) sugli argomenti trattati durante il primo semestre; la prova scritta non prevede esercizi applicativi. Per lo svolgimento della prova scritta gli studenti hanno a disposizione 1.5 ore. La prova orale finale consiste in alcune domande (tipicamente due) di carattere teorico sugli argomenti svolti nel secondo semestre e in un'applicazione su uno degli argomenti di carattere applicativo affrontati durante il corso (distribuzione idrostatica delle pressioni; spinta idrostatica su pareti piane e curve; verifica di brevi e lunghe condotte; moto vario negli impianti di sollevamento; profili di corrente). La durata della prova orale non supera i 30'. Il voto complessivo riflette un giudizio di sintesi delle due prove: la prova scritta, infatti, consente di verificare la capacità dello studente di sintetizzare in una forma chiara e logica - ossia sotto la forma di una breve relazione tecnica - l'argomento proposto; la prova orale consente di valutare la capacità di espressione e quella di discutere in autonomia. Modalità "unica soluzione" - In questo caso l'esame consiste unicamente in una prova orale - della durata di circa un'ora - durante la quale allo studente vengono proposte domande relative all'intero programma. Nella discussione verrà valutata la capacità dello studente di illustrare le ipotesi di partenza, gli sviluppi analitici e le implicazioni di tipo applicativo con riferimento a mediamente tre argomenti di carattere teorico. La domanda conclusiva consiste in un'applicazione su uno degli argomenti di carattere applicativo affrontati durante il corso (distribuzione idrostatica delle pressioni; spinta idrostatica su pareti piane e curve; verifica di brevi e lunghe condotte; moto vario negli impianti di sollevamento; profili di corrente). La valutazione della prova orale si basa anche sulla capacità di espressione e di discutere in autonomia esibite dallo studente. Per entrambe le modalità di esame, premialità derivano dagli esiti della AQUALIBRIUM competition solta al termine del corso fra gli studenti divisi in gruppi. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | Equazioni fondamentali in forma locale Definizione di fluido e liquido: principali differenze fra essi e rispetto ai solidi. I fluidi come sistemi continui. Principali unità di misura. Tensioni in un mezzo fluido. Teorema del tetraedro di Cauchy. Legge di Newton e definizione di fluido newtoniano. Equazione di stato. Approccio lagrangiano e approccio euleriano. Regola di derivazione euleriana. Grandezze caratteristiche del campo di moto. Equazione locale di continuità. Equazione indefinita dell'equilibrio dinamico. Idrostatica Equazione indefinita dell'equilibrio statico. Legge di Stevin. Distribuzione idrostatica delle pressioni. Spinta su pareti piane. Spinta su pareti curve. Formula di Mariotte. Applicazioni. Fluidi perfetti Equazione di Eulero. Teorema di Bernoulli. Correnti gradualmente variate. Equazione fondamentale della foronomia. Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente di sezione finita. Equazioni e grandezze globali Teorema del Trasporto e sue applicazioni al principio di conservazione della massa (equazione globale di continuità) e al teorema della quantità di moto (equazione globale dell'equilibrio dinamico; Flusso della quantità di moto per una corrente gradualmente variata). Significato energetico del carico idraulico totale. Equazione di continuità per una corrente. Applicazioni. Moto dei fluidi reali Estensione del teorema di Bernoulli alle correnti di liquidi reali. Esperienza di Reynolds: moto laminare e moto turbolento. Ricerche sperimentali per la definizione delle leggi di resistenza (arpa di Nikuradse, abaco di Moody, formule monomie). Brevi condotte: problemi di verifica Brusca espansione in una corrente in pressione. Valutazione delle perdite di carico concentrate. Perdita di carico concentrata provocata da una valvola. Linea piezometrica e linea dei carichi per una condotta breve. Definizione di brevi e lunghe condotte. Applicazioni. Lunghe condotte: problemi di verifica e progetto Verifica e progetto di sistemi di condotte (ad esempio: condotta semplice, funzionamento di un sistema a tubi nuovi e a tubi usati, verifica di una condotta con erogazione concentrata, principio di economia al nodo, condotta con punto alto,...). Impianti di sollevamento: verifica con individuazione delle condizioni limiti di funzionamento e progetto in condizioni di moto uniforme (criterio economico). Applicazioni. Utilizzo di software per la verifica dei sistemi complessi di condotte (EPANET). Competizione AQUALIBRIUM. Moto vario nelle correnti in pressione Celerità di colpo d'ariete. Equazione del moto vario lineare. Posizione del problema dei transitori nelle correnti in pressione. Modello di oscillazione di massa. Moto vario negli impianti di sollevamento. Verifica di un impianto di sollevamento munito di cassa d'aria. Progetto di una cassa d'aria (abachi di Evangelisti). Applicazioni. Correnti a pelo libero Caratteri delle correnti a pelo libero. Equazione del moto delle correnti a pelo libero gradualmente variate. Equazione del moto uniforme per le correnti a pelo libero. Scala delle portate (sezioni aperte, chiuse e banchinate). Legame fra carico idraulico specifico, tirante idrico e portata. Condizione di stato critico. Alvei a debole e forte pendenza. Profili di corrente in alvei a debole e forte pendenza. Risalto idraulico. Spinta totale di una corrente. Localizzazione del risalto. Esempi di profili di corrente (effetto di una variazione di scabrezza, della pendenza di fondo, della presenza di dispositivi di controllo, ...). Passaggio fra le pile di un ponte. Tracciamento dei profili di corrente alle differenze finite. Applicazioni. Moti di filtrazione Schematizzazione dei moti di filtrazione. Legge di Darcy. Emungimento mediante pozzo da falda artesiana e freatica. Strumenti di misura delle grandezze idrauliche Misura di: portata (venturimetro, dispositivi ad induzione magnetica e ad ultrasuoni); pressione (manometri ad ago, trasduttori piezoresistivi); livello (sonda ad ultrasuoni, trasduttori); velocità (sonda ad ultrasuoni). |