CORSO DI LAUREA: Ingegneria Civile INSEGNAMENTO: Idraulica e Costruzioni Idrauliche (Modulo I) NOME DOCENTE: Pierleoni Arnaldo [email protected] NOME TUTOR: OBIETTIVI DEL CORSO: Il corso vuole fornire la conoscenza delle leggi fondamentali dell’Idraulica necessarie per le successive applicazioni ingegneristiche riguardanti il progetto di infrastrutture idrauliche (acquedotti e reti di drenaggio urbano) e di manufatti idraulici (impianti di sollevamento, opere di captazione e serbatoi). Il corso, pur avendo una prevalente finalità applicativa, affronta i temi trattati con strumenti e metodi analitici appropriati alla formazione di un laureato in ingegneria civile, capace di generalizzare ed estendere le conoscenze acquisite. Alla formalizzazione delle leggi fisiche seguirà sempre la loro diretta applicazione con un numero adeguato di esercitazioni per assimilare ed approfondire gli aspetti teorici dell’Idraulica ed anticipare quelli più applicativi delle Costruzioni Idrauliche. Particolare rilievo sarà dato allo studio dell’Idrostatica, delle Correnti in Pressione e delle Correnti a Superficie Libera per gli immediati ritorni applicativi. CONTENUTI DEL CORSO: Il corso è suddiviso in 12 capitoli che affrontano in modo finalizzato gli argomenti più rilevanti per le applicazioni dell’Idraulica. Secondo uno schema didattico consolidato, il corso è organizzato nei seguenti capitoli, dei quali si dà una breve descrizione dei contenuti: 1. 2. 3. 4. Caratteristiche fisiche dei fluidi. Viene discusso il modello fisico del fluido che sarà ipotizzato come un mezzo continuo, caratterizzato da proprietà fisiche peculiari (viscosità, comprimibilità, peso specifico, densità, tensione superficiale, …). Verrà inoltre formalizzato lo stato tensionale interno alla massa fluida mediante il classico tensore degli sforzi riconducibile al teorema del tetraedro di Chauchy. Statica dei fluidi. Verranno presentate le equazioni fondamentali dell’idrostatica applicabili ai fluidi in quiete (equazione indefinita ed equazione globale dell’idrostatica). Saranno quindi dedotte le principali relazioni per la misura delle pressioni e per il calcolo della spinta idrostatica su superfici di qualunque forma. Cinematica dei fluidi. Introdotti brevi cenni all’approccio Euleriano e Lagrangiano per la descrizione dello stato di moto, verranno discussi i tipi di movimento dei fluidi e l’equazione di continuità (conservazione della massa) che sarà di fondamentale impiego in moltissimi problemi applicativi. Dinamica dei fluidi. I fluidi in quanto soggetti tipicamente a forze di massa e forze di superficie obbediscono alla fondamentale legge dell’equilibrio dinamico (legge di Newton) di cui verrà presentata la formalizzazione indefinita e globale. Saranno illustrati, inoltre, i principali ambiti applicativi delle due equazioni. 5. Teorema di Bernoulli ed applicazioni. L’equazione indefinita dell’equilibrio dinamico, trova un’importante formulazione energetica data dal teorema di Bernoulli che esprime il principio di conservazione dell’energia meccanica del fluido. Numerose sono le applicazioni dedotte da questo teorema applicabile sia ai fluidi ideali (privi di viscosità ed incomprimibili) sia ai fluidi reali. Si farà riferimento alle classiche applicazioni per lo studio dei processi di efflusso e dei principi di funzionamento degli strumenti di misura di portata e velocità, alle estensioni del teorema al caso del moto vario e dei fluidi reali, alla sua applicazione alle correnti per il calcolo della potenza idraulica e per la rappresentazione degli scambi energetici con turbomacchine (pompe e turbine). 6. Fluidi reali ed il loro moto. Le analisi svolte nei precedenti capitoli sono state basate sull’ipotesi di fluido ideale cioè privo di viscosità ed incomprimibile. Questa schematizzazione utile per molte applicazioni, non è più ammissibile quando gli sforzi tangenziali indotti dalla viscosità non sono più trascurabili. Vengono quindi generalizzate le equazioni indefinite e globali della dinamica dei fluidi fino alla formulazione della importante equazione di Navier-Stokes e dedotta la relazione per il calcolo dell’azione di trascinamento di una corrente. 7. Correnti in pressione: equazioni del moto e perdite di carico. In questo capitolo vengono trasferiti i risultati acquisiti nei precedenti capitoli, allo studio delle correnti in pressione quale caso applicativo centrale di tutta l’Idraulica. Verranno descritti il moto laminare ed il moto turbolento con diretto riferimento alle applicazioni acquedottistiche (calcolo delle perdite di carico, continue e concentrate, calcolo idraulico di una condotta, correnti in depressione) 8. Correnti in pressione: dimensionamento delle lunghe condotte. Acquisite le leggi generali per lo studio del moto di una corrente in pressione, vengono proposti i principali problemi pratici legati alla verifica e dimensionamento di una rete idrica in pressione, basati sull’ipotesi fondamentale di lunga condotta. 9. Correnti in pressione: moto vario. Vengono forniti gli strumenti di sintesi per valutare le condizioni di moto non stazionarie in una corrente caratterizzata da fluido e condotta deformabili elasticamente. Le applicazioni faranno riferimento a schemi semplici: condotte forzate e casse d’aria per impianti di sollevamento. 10. Correnti a pelo libero. Le correnti a pelo libero generalizzano il concetto di corrente fin qui utilizzato che prevedeva la sostanziale costanza della sezione idrica. In questo caso parte della sezione idrica è a contatto con l’atmosfera come nel caso di fiumi, canali, fognature e la sua altezza può in generale non essere costante. Verranno, quindi, discusse le principali leggi utili per descrivere lo stato idraulico di una corrente a superficie libera e per il dimensionamento di un canale prismatico. 11. Foronomia. Verranno presentati i casi principali dello studio dei processi di efflusso da un’apertura (luce sul fondo di un recipiente, sulla parete di un recipiente, dalla sommità di una traversa, …) 12. Moti di filtrazione. Cenni ai processi di moto in un mezzo poroso saturo con applicazioni allo studio dei pozzi in falda freatica ed artesiana. MODALITA’ DI SVOLGIMENTO ESAME: La valutazione del livello di apprendimento raggiunto dall’Allievo sarà basata su due momenti di verifica separati, esercitazioni ed esito del colloquio finale: Esercitazioni (50%). Vengono valutate la quantità, qualità ed accuratezza numerica delle esercitazioni svolte durante il corso (peso 50% della valutazione finale, ovvero 15 voti su 30). E’ raccomandato lo svolgimento di almeno il 75% delle esercitazioni somministrate che devono essere sottoposte a revisione in modo progressivo durante tutto il corso e non tutte insieme. Il docente valuterà ciascuna esercitazione con riguardo alla chiarezza espositiva, all’organizzazione logica dell’elaborato, alla corretta formalizzazione delle leggi dell’idraulica, alla correttezza delle elaborazioni numeriche, ed infine con riguardo ad eventuali approfondimenti e discussioni metodologiche di supporto alla soluzione. Colloquio (50%). La verifica sarà basata su di un colloquio della durata massima di 45 min. finalizzato a verificare la conoscenza e la padronanza dei temi studiati. Risultato complessivo. La verifica si intende positiva se la somma dei voti ponderati è superiore a 18 su 30. Esempio: siano state svolte e sottoposte a verifica 10 esercitazioni su di un totale di 12, con i seguenti voti in 30-esimi per ciascuna di esse (24, 16, 30, 27, 24, 18, 27, 25, 30, 28), ad esse corrisponderà il voto medio di 24,9. Ponderando questa media con 10/12 si ottiene il voto in 30-esimi pari a 21 (arrotondamento per eccesso); sia stato sostenuto il colloquio finale con la votazione di 28 su 30; la valutazione finale risulta pari a (21×0.5+28×0.5)=25 (arrotondamento per eccesso). Esito positivo. BIBLIOGRAFIA CONSIGLIATA: Autori: Citrini D., Noseda G. Titolo: Idraulica Casa Editrice: Ambrosiana Milano Autori: Alfonsi G., Orsi E. Titolo: Problemi di idraulica e meccanica dei fluidi Casa Editrice: Ambrosiana Milano EVENTUALI CONSIGLI DEL DOCENTE PER GLI STUDENTI: Si raccomanda di effettuare durante le sessioni di studio gli approfondimenti indicati sui testi in bibliografia, superando ed ampliando nella preparazione la sintetica presentazione delle slide. Si suggerisce di svolgere sempre le esercitazioni proposte, rielaborando anche quelle svolte (su richiesta possono essere fornite altre esercitazioni). Si suggerisce, inoltre, di non esitare a chiedere chiarimenti e di stabilire un contatto diretto con il Docente ed il Tutor, ove designato, utilizzando esclusivamente gli strumenti e le modalità di comunicazione previsti.