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    Oronzio MANCA

    Insegnamento di MODELLISTICA ED ANALISI TERMICA DEI SISTEMI

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA MECCANICA

    SSD: ING-IND/10

    CFU: 9,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 72,00

    Periodo di Erogazione: Secondo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Richiami; alette e sistemi alettati; irraggiamento termico; scambiatori di calore; applicazioni sui meccanismi combinati.
    Conduzione termica: equazione fondamentale in forma locale; condizione ai limiti; regime stazionario, soluzioni analitiche, metodo dei volumi finiti per regime stazionario; regime transitorio, soluzioni analitiche, metodo dei volumi finiti in regime stazionario.
    Convezione termica: equazioni in forma locale; convezione forzata, regime laminare, lastra piana e soluzioni simili, moto in condotti, regime turbolento, lastra piana e analogie, moto in condotti e analogie; moto su superfici esterne; convezione naturale.
    Irraggiamento termico: superfici reali, scambio in cavità.

    Testi di riferimento

    O. Manca, V. Naso, Complementi di Trasmissione del Calore, EDISU Napoli 1 scaricabile da http://www.adisufederico2.it/
    O. Manca, V. Naso, Applicazioni di Trasmissione del Calore, EDISU Napoli 1 scaricabile da http://www.adisufederico2.it/
    Y. A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, 3a edizione, McGraw-Hill Companies, 2009.
    A. Bejan, Convective Heat Transfer, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, 2004.

    Obiettivi formativi

    Il corso si propone di fornire agli allievi dei corsi di laurea in Ingegneria Meccanica l'approfondimento dei concetti di base e applicativi della trasmissione del calore.

    Prerequisiti

    L’allievo deve conoscere gli elementi fondamentali di Analisi matematica e di Fisica:
    Deve essere in possesso di principi di base di analisi matematica quali derivate, equazioni differenziali ordinarie lineari
    Deve conoscere i principi elementari della meccanica

    Metodologie didattiche

    Le lezioni frontali e le esercitazioni sono tenute dal docente del corso, hanno una durata di 120 minuti.
    Le esercitazioni numeriche sono previste su tutti gli argomenti trattati e sono parte integrante del corso e sono svolte nell'orario assegnato al corso.

    Metodi di valutazione

    Al termine del corso è previsto un colloquio orale per la valutazione finale.
    Le prove sono fissate con cadenza almeno mensile (ad esclusione della pausa estiva) con almeno 3 prove in ciascuna delle due finestre di esame o concordate con il docente del corso.

    Altre informazioni

    Sono disponibili sul sito appunti delle lezioni e le applicazioni.

    Programma del corso

    Alette e sistemi alettati. Irraggiamento termico: proprietà delle superfici reali, scambio termico in cavità per proprietà monocromatiche. Scambiatori di calore: generalità, equazioni di scambio, bilanci di prima legge, scambiatori equi e contro corrente, differenza di temperatura media logaritmica, efficienza degli scambiatori di calore, diagrammi dell'efficienza per alcune tipologie di scambiatori di calore, scelta di uno scambiatore di calore. Applicazioni sui meccanismi combinati della trasmissione del calore.

    Richiami dei concetti fondamentali delle Scienze Termiche: Sistema chiuso e sistema aperto, derivata sostanziale, teorema del trasporto. Equazioni di bilancio e di conservazione in forma globale e locale; conservazione della massa, equazioni di Navier-Stokes, conservazione dell’enegia e bilancio di entropia.

    Conduzione
    Equazione della conduzione, condizioni ai limiti: condizioni iniziali e al contorno. Condizioni al contorno di primo, secondo e terzo tipo; cenni sui vari metodi di risoluzione dei problemi conduttivi: metodi analitici e numerici.
    Regime stazionario
    Campi bi e tridimensionali. Metodo della separazione delle variabili, esempio di campo bidimensionale con generazione, impostazione del problema, equazione e condizioni al contorno, applicazione del metodo della separazione delle variabili. Metodo dei volumi finiti in geometria piana e cilindrica. Discretizzazione del dominio, scrittura delle equazioni di bilancio per nodi interni e nodi di frontiera per le varie condizioni al contorno. Domini irregolari e scelta del sistema di riferimento. Esempi: aletta e campo bidimensionale con generazione. Cenni sui metodi diretti e iterativi per la soluzione di sistemi di equazioni algebriche, metodo del rilassamento.
    Regime transitorio
    Risoluzione di campi monodimensionali con la separazione delle variabili e costruzione delle soluzioni diagrammate, corpo seminfinito e sua soluzione con costruzione dei diagrammi dimensionali. Criteri per l’applicazione del modello di corpo seminfinito. Metodo della soluzione prodotto per campi bi e tridimensionali. Metodi numerici per il regime transitorio, metodo delle capacità concentrate, sistemi di equazioni differenziali ordinarie, metodi esplicito, implicito e di Crank-Nicolson; problema della stabilità numerica per nodi interni ed esterni per il metodo esplicito.

    Convezione
    Scrittura delle equazioni per il regime stazionario bidimensionale. Regime laminare, ipotesi di Prandtl, equazioni dello strato limite e sua soluzione per lastra piana. Analogie di Reynolds e Pohlhausen, correlazioni per lastra piana per metalli liquidi e oli. Moto in condotti, moto sviluppato dinamicamente e termicamente, moto sviluppato dinamicamente e termicamente in sviluppo, moto in sviluppo dinamico e termico. Regime turbolento, lastra piana, analogie, correlazioni; moto in condotti, analogie, correlazioni; moto all’esterno di superfici, cilindro singolo, sfera, banchi di tubi, correlazioni. Convezione naturale, lastra piana verticale, orizzontale e inclinata, cilindro verticale e orizzontale, sfera, intercapedini chiuse, impiego delle correlazioni.

    Irraggiamento
    Richiami, fattori di vista e tecniche per la valutazione dei fattori di vista.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Preliminary concepts, fins and finned systems; thermal irradiation; heat exchangers; applications on the combined mechanisms.
    Thermal conduction: fundamental equation in local form; condition to the limits; stationary regime, analytical solutions, method of finite volumes by stationary regime; transitional regime, analytical solutions, method of finite volumes in steady state.
    Thermal convection: equations in local form; forced convection, laminar regime, flat plate and similar solutions, duct-driven motion, turbulent regime, flat plate and similarities, motion in ducts and similarities; motion on external surfaces; natural convection.
    Thermal irradiation: real surfaces, exchange in cavities.

    Textbook and course materials

    Y. A. Cengel, Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, 2/e, McGraw-Hill, 2008.
    Y. A. Cengel, R. H. Turner, J. M. Cimbala, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences 5th Edition, McGraw-Hill Education; 5th edition, 2016
    Y. A. Cengel, A. J. Ghajar, Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 5th Edition, McGraw-Hill, 2014.
    T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, D. P. De Witt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 8th edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2017.
    A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, 1993.

    Course objectives

    The course aims to provide students of degree courses in Mechanical Engineering from the deepening of the basic concepts and applications of heat transfer.

    Prerequisites

    L’allievo deve conoscere gli elementi fondamentali di Analisi matematica e di Fisica:
    Deve essere in possesso di principi di base di analisi matematica quali derivate, equazioni differenziali ordinarie lineari
    Deve conoscere i principi elementari della meccanica.

    Teaching methods

    Lectures and exercises are held by the teacher of the course, have a duration of 120 minutes.
    The numerical exercises are foreseen on all the topics covered and are an integral part of the course and are carried out in the timetable assigned to the course.

    Evaluation methods

    At the end of the course an oral interview is scheduled for the final evaluation.
    The tests are scheduled at least once a month (excluding the summer break) with at least 3 tests in each of the two examination windows or agreed with the teacher of the course.

    Other information

    Lecture notes and applications are available on the site.

    Course Syllabus

    Fins and finned systems. Thermal irradiation: properties of real surfaces, heat exchange in cavities for monochromatic properties. Heat exchangers: general information, exchange equations, first-law balance sheets, fair and counter-current exchangers, average logarithmic temperature difference, heat exchanger efficiency, efficiency diagrams for some types of heat exchangers, choice of a heat exchanger heat. Applications on the combined mechanisms of heat transmission.

    Recalls of the fundamental concepts of Thermal Sciences: Closed system and open system, substantial derivative, transport theorem. Budgetary and conservation equations in a global and local form; mass conservation, Navier-Stokes equations, conservation of enogy and entropy balance.

    Conduction
    Equation of conduction, conditions at the limits: initial and boundary conditions. Boundary conditions of first, second and third types; hints on the various methods of solving conductive problems: analytical and numerical methods.
    Stationary regime
    Bi and three-dimensional fields. Variable separation method, two-dimensional field example with generation, problem setting, equation and boundary conditions, application of the variable separation method. Finite volume method in plane and cylindrical geometry. Discretization of the domain, writing of the balance equations for internal nodes and border nodes for the various boundary conditions. Irregular domains and choice of the reference system. Examples: fin and two-dimensional field with generation. Hints on direct and iterative methods for the solution of systems of algebraic equations, relaxation method.
    Transitional regime
    Resolution of one-dimensional fields with the separation of variables and construction of the diagrammed solutions, semi-finished body and its solution with the construction of dimensional diagrams. Criteria for the application of the semi-finished body model. Method of the solution produced for bi and three-dimensional fields. Numerical methods for the transitional regime, concentrated capacity method, systems of ordinary differential equations, explicit, implicit and Crank-Nicolson methods; problem of numerical stability for internal and external nodes for the explicit method.

    Convection
    Writing equations for the two-dimensional stationary regime. Laminar regime, Prandtl hypothesis, boundary layer equations and its solution for flat plate. Analogies of Reynolds and Pohlhausen, correlations for flat plate for liquid metals and oils. Motion in ducts, dynamically and thermally developed bikes, dynamically and thermally developed bikes, dynamic and thermal development bikes. Turbulent regime, flat plate, analogies, correlations; motion in ducts, analogies, correlations; motion outside surfaces, single cylinder, sphere, banks of pipes, correlations. Natural convection, vertical flat plate, horizontal and inclined, vertical and horizontal cylinder, sphere, closed gaps, use of correlations.

    Radiation
    Review, factors of view and techniques for assessment of factors of view.

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