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ANDREA CIMARELLI

Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"

Insegnamento: Simulation and Modelling of Turbulent Flows

Advanced Automotive Engineering (Offerta formativa 2024)

Obiettivi formativi

Il corso si pone l'obiettivo di fornire gli strumenti necessari per la simulazione di flussi turbolenti e per la comprensione dei risultati ottenuti. Tali strumenti includono la conoscenza delle tecniche numeriche tipiche per la soluzione delle equazioni di Navier-Stokes e delle tecniche modellistiche della turbolenza. Lo studente sarà quindi in grado di selezionare le più appropriate tecniche di simulazione per le varie applicazioni e di comprenderne i risultati.

Prerequisiti

Calcolo vettoriale, equazioni differenziali, meccanica razionale e fluidodinamica.

Programma del corso

Fluidodinamica numerica (3 cfu, 30 ore)
1) Introduzione alle equazioni della fluidodinamica (2 ore);
2) Tecniche di integrazione e discretizzazione per la soluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali: Eulero, Crank-Nicholson, Metodi multi-step, Runge-Kutta e differenze finite (10 ore);
3) Equazioni convettivo-diffusive: numero d'onda modificato e stabilità alla Von Neumann (4 ore);
4) Tecniche di discrertizzazione delle equazioni di Navier-Stokes: metodo di proiezione e solutori dell'equazione di Poisson (8 ore);
5) Volumi finiti e OpenFoam (6 ore)

Modellazione della turbolenza (3 cfu, 30 ore)
1) Introduzione alla fisica della turbolenza (1 ora);
2) Direct Numerical Simulation e neccessità di un approccio modellistico. Il problema di chiusura della turbolenza (1 ora);
3) Reynolds Average Navier-Stokes: modelli a viscosità turbolenta (k-epsilon, k-omega, k-omega SST) e modelli degli sforzi di Reynolds (RSM and ASM) (13 ore);
4) Large Eddy Simulation: modelli a viscosità turbolenta (modelli di Smagorinsky, Germano e one-equation ksgs), similarity models, mixed models (10 ore);
5) Approcci misti: Hybrid RANS/LES, Detached Eddy Simulation e Scale-Adaptive Simulation (5 ore);

Metodi didattici

Durante le lezioni frontali il docente presenterà esaustivamente tutti i contenuti del corso comprese le dimostrazioni e i metodi di soluzione. Le lezioni saranno erogate in lingua inglese.

Testi di riferimento

Il materiale didattico sarà fornito dal docente attraverso il canale Teams del corso e comprende slides, registrazioni e dispense. Inoltre, si consigliano i seguenti testi.

NUMERICAL METHODS:
1- "Computational methods for fluid dynamics" - Joel H. Ferziger and Milovan Peric.

TURBULENCE:
1- "Turbulent flows", Stephen B. Pope.
2- "Turbulence", Uriel Frish.

TURBULENCE MODELLING:
1- ”Turbulence modeling for CFD” – D.C. Wilcox
2- "Large Eddy Simulation for Incompressible Flows", Pierre Sagaut.

Verifica dell'apprendimento

L'esame è svolto al termine delle lezioni e si compone di un unica prova scritta con domande a risposta libera della durata di circa 3 ore. Tale prova è volta a verificare le conoscenze acquisite e sarà seguita da una discussione orale dello scritto stesso. Il voto deriva dal risultato dello scritto. In particolare, ad ogni domanda è assegnato un punteggio in trentesimi e il voto finale sarà dato dalla somma dei punteggi ottenuti nelle signole domande. L'esito verrà comunicato alla fine della discussione orale. Non è ammessa la consultazione di testi e o appunti durante la prova.

Risultati attesi

1- Conoscenza delle tecniche numeriche per la soluzione delle equazioni di Navier-Stokes e delle loro proprietà di consistenza, accuratezza e stabilità;
2- Conoscenza degli approcci modellistici alla turbolenza e delle loro proprietà in termini di quantità e qualità delle informazioni a cui permettono di accedere;