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Corso di Fluidodinamica delle Macchine – A.A. 2012-2013 - Dipartimento di Ingegneria Industriale Firenze - Corso di Fluidodinamica delle Macchine Parte 2b: Risoluzione di Flussi Non Viscosi (applicazioni) Pagina 1
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Mar 14, 2020

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Corso di Fluidodinamica delle

Macchine

Parte 2b: Risoluzione di Flussi Non Viscosi (applicazioni)

Pagina 1

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2D Flow Near a 90° Corner (1)

• Un flusso 2D incomprimibile, non viscoso, in prossimità di un angolo di 90° (come quello riportato in figura) viene descritto dalla seguente stream function ψ:

2sin22

r

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2D Flow Near a 90° Corner (2)

1. Determinare, se possibile, la funzione potenziale

2. Se la pressione in (1) vale 30kPa, calcolare la p in (2)

Si consideri ρ=1000kg/mc e z2=z1 .

P1 = 30 kPa

?

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2D Flow Near a 90° Corner (3) • Le velocità vr e vθ possono essere a loro volta espresse

attraverso la stream function ψ come segue:

• Si possono quindi calcolare le componenti di velocità radiale e tangenziale:

• Se il campo di moto ammette l’esistenza del potenziale questo soddisfa la relazione seguente:

rv

rv

r

1

2sin4

2cos42sin2

2

rv

rvr

r

rrV

1

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2D Flow Near a 90° Corner (4)

• Integrando le equazioni differenziali si ha:

• L’unico modo affinché entrambe siano valide è che le due funzioni f1 e f2 siano uguali fra loro e costanti, e per comodità, senza perdere in generalità, si pongono uguali a 0 (interessano le variazioni). Quindi:

• Il fatto che sia possibile individuare una funzione potenziale dimostra che il campo è IRROTAZIONALE.

rfrr

frrr

2

22

1

2

2cos22sin4

2cos22cos4

2cos22

r

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2D Flow Near a 90° Corner (5)

• Si può assumere una qualsiasi stream function, ma solo per quelle che definiscono un campo irrotazionale è possibile individuare una funzione potenziale.

• Per flussi irrotazionali è indifferente utilizzare le streamlines oppure le linee equipotenziale per caratterizzare il flusso.

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2D Flow Near a 90° Corner (6)

• Nell’ipotesi di flusso incomprimibile è possibile applicare il trinomio di Bernoulli tra i punti (1) e (2) per trovare la relazione tra pressione e velocità (z1=z2):

• Il modulo di V può essere calcolato:

2

2

2

112

2

22

2

11

222VVpp

g

Vp

g

Vp

222216 rvvV

r

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2D Flow Near a 90° Corner (7) • La stream function poteva essere espressa anche in

coordinate cartesiane:

• In questo modo però sarebbe stato più complesso generalizzare l’espressione di ψ per angoli diversi da 90°. Per un generico angolo α si ha:

quadrata) (iperbole 4cossin42sin22

xyrrr

cos

sin

Ar

Ar

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FLUSSI A POTENZIALE 2D (tipologie base)

• Uniforme

• Sorgente e pozzo

• Doppietto (pozzo-sorgente)

• Vortice

Essendo i flussi a potenziale governati dall’equazione di Laplace (LINEARE), i vari flussi base possono essere combinati per realizzare soluzioni particolari.

Si ricordi che le streamlines in un flusso 2D, non viscoso, possono essere considerate come pareti solide.

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FLUSSO UNIFORME GENERICO

( , ) c o s c o s ( )

s in ( ) s in

( , ) c o s s in

( , ) c o s s in

x y U d x U x f y

fU f y U y

y y

x y U x y

x y U y x

yxU

cos

xyU

sin

Potenziale e funzione di corrente (flusso uniforme)

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• Consideriamo un flusso che si muova radialmente come riportato in figura. Se m è la portata volumetrica per unità di lunghezza (lungo asse z) che fuoriesce dalla sorgente si ha:

r

mvmvr

rr

1

22

• Dal momento che la componente tangenziale del flusso è nulla, si può calcolare il valore del potenziale e della stream function integrando le relazioni già viste in precedenza.

2

ln2

01

1

2

m

rm

r

r

r

m

r

SORGENTE e POZZO

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• Se m > 0 si tratta di una sorgente (flusso uscente), se m < 0 si tratta di un pozzo (flusso entrante);

• Nell‘ origine la velocità ha una singolarità, ma questo non è un problema perché si farà sempre in modo che tali punti siano all‘ esterno del dominio fluido;

SORGENTE e POZZO

• Alcuni flussi reali possono essere approssimati ad una certa distanza dall’origine utilizzando pozzi o sorgenti.

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COMBINAZIONE POZZO-SORGENTE (1)

• Supponiamo di combinare una sorgente e un pozzo, disposti come in figura. La stream function per questo caso vale (eq. Laplace è lineare):

21

21

tan2

tan

2

m

m

• Sfruttando le relazioni trigonometriche e calcolando le tangenti degli angoli (θ1 e θ2) si ottiene:

22

0

22

1 sinsin2tan

2 ar

mar

ar

arm a

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• Quando a tende a 0 mentre m tende a infinito si parla di DOUBLETS (DOPPIETTO) e per questi casi si può scrivere:

rK

rKK

ma

m

a

cos;

sin0

• Sorgenti, pozzi e doublets non hanno una reale controparte in natura ma aiutano a modellare fenomeni fisici reali quando sono combinati con altri flussi a potenziale (flusso intorno ad un cilindro).

COMBINAZIONE POZZO-SORGENTE (2)

Streamlines

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VORTICE (1) • Se si considera un flusso in cui le streamlines

sono cerchi concentrici, le direzioni radiali rappresentano le linee equipotenziali (si inverte la SORGENTE):

0

1

ln ;

rv

r

K

rrv

rKK

• Nonostante quello che può sembrare, questo flusso è irrotazionale. In questo caso la velocità va come 1/r e le distorsioni del campo di moto giustificano la sua irrotazionalità (Vortice Libero).

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• Al concetto di moto vorticoso viene associata la circolazione del campo di moto. Se consideriamo che in questo caso che il campo di moto è rappresentabile come il gradiente di una funzione potenziale si ha:

• Questo è vero solo se la curva su cui viene calcolata la circolazione non contiene singolarità. Per il vortice libero la singolarità in r = 0 si ha, quindi:

CCC

ddsVds 0

222

2

0

KKrd

r

K

VORTICE (2)

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Riassunto dei principali flussi

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INTERAZIONE FRA FLUSSI BASE

• Uniforme + Sorgente (HALF BODY)

• Uniforme + Sorgente e Pozzo (RANKINE OVALS)

• Uniforme + Doppietto (CILINDRO senza LIFT)

• Uniforme + Doppietto + Vortice (CILINDRO con LIFT)

Essendo i flussi a potenziale governati dall’equazione di Laplace (LINEARE), i vari flussi base possono essere combinati per realizzare soluzioni particolari.

Si ricordi che le streamlines in un flusso 2D, non viscoso, possono essere considerate come pareti solide.

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UNIFORME + SORGENTE (1)

• Se consideriamo una sorgente ed un flusso uniforme che interagiscano tra loro, si ha che:

• In un punto del dominio fluido i due campi si annulleranno creando un punto di stagnazione.

2

sinm

Ursourceuniform

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• Nel sistema di riferimento considerato il punto stagnazione si verifica nel punto x=-b (r=b; θ=π) dove:

• Considerando la definizione di ψ e il fatto che m = 2πbU, si può calcolare l’equazione della streamline che passa dal punto stagnazione, già evidenziata in figura:

• Sostituiamo la streamline con un corpo solido che abbia lo stesso profilo.

2

1

2

1

2

1

2

m

U

mb

b

mU

r

mv

b

b

r

sin

br

UNIFORME + SORGENTE (2)

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• In questo modo è evidente che questo modello permette di descrivere il flusso intorno ad un corpo solido chiamato half-body la cui ampiezza tende a 2πb per θ → 0.

• Attraverso le definizioni di vr e vθ si può valutare la velocità del flusso in ogni punto del dominio:

• Sfruttando il trinomio di Bernoulli e considerando trascurabile la variazione di quota, è possibile ottenere il valore della pressione in ogni punto del dominio fluido.

2

2

cos21

sin

2cos

1

r

b

r

bUV

Ur

v

r

mU

rv

r

UNIFORME + SORGENTE (3)

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Alcune considerazioni: • La velocità del flusso a “parete” non è nulla poiché, considerando il flusso

non viscoso, trascuriamo gli sforzi di taglio che impongono la condizione di no slip. Di conseguenza nella zona dello strato limite la trattazione a potenziale non permette una accurata risoluzione del campo di moto;

• Va detto che la pressione non varia in direzione normale a parete nemmeno nel boundary layer, perciò il suo profilo sarà ben approssimato anche da una trattazione non viscosa;

• Al contrario, lontano dallo strato limite questa trattazione è molto utile e permette con buona approssimazione di valutare il campo di moto.

UNIFORME + SORGENTE (4)

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Pagina 23

• Nel caso dell’ovale di Rankine, oltre alla sorgente ed al flusso si considera anche un pozzo che permette di passare da un half-body ad una porzione chiusa di dominio fluido.

• In questo caso le streamlines hanno la seguente forma:

• Per ψ = 0 le streamlines formano un profilo chiuso.

21

2sin

mUr

wellsourceuniform

UNIFORME + SORGENTE e POZZO (1)

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Pagina 24

• Le streamlines che si trovano all’interno del profilo vanno direttamente dalla sorgente al pozzo.

• Gli ovali di Rankine hanno lunghezza 2l e altezza 2h e hanno due punti di stagnazione dove le velocità del flusso, della sorgente e del pozzo si combinano per dare una velocità complessiva del flusso nulla. Le dimensioni si possono ottenere considerando la funzione ψ = 0 al variare di θ:

a

h

m

Ua

a

ah

a

h

Ua

m

a

l

2tan2

1

2

22

UNIFORME + SORGENTE e POZZO (2)

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Pagina 25

Alcune considerazioni: • La forma dell’ovale dipende dal valore del parametro adimensionale

πUa/m.

• Per diversi valori di πUa/m si possono quindi avere infinite forme. All’aumentare del parametro ci troveremo di fronte a oggetti sempre più oblunghi, mentre per valori piccoli si hanno quelli che si chiamano blunt body.

• A valle della zona di massimo spessore, il flusso decelera e recupera pressione fino al punto di stagnazione in cui la velocità è nulla. Nella realtà il gradiente di pressione avverso porta all’ispessimento dello strato limite fino alla sua “separazione”, creando zone di ricircolo che la trattazione a potenziale non può mostrare.

• Caso particolare degli ovali di Rankine è il cilindro circolare (a → 0 ).

UNIFORME + SORGENTE e POZZO (3)

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Pagina 26

• Quando a → 0 sorgente e pozzo collassano in un punto che è il centro di un cerchio.

• Con riferimento all’analisi del doublet si era già vista la forma assunta dall’equazione delle streamlines nel caso in cui a → 0 e m → ∞. In tali condizioni l’ovale di Rankine si transforma in un cilindro.

UNIFORME + DOPPIETTO (1)

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Pagina 27

• Con geometria circolare è infatti utile considerare coordinate polari

c o s( , ) c o s c o s ( ) in c u i in te n s i tà

s in( , ) s in s in ( )

Kr U r K U r K

r r

Kr U r K U r

r r

UNIFORME + DOPPIETTO (2)

Uniforme Doppietto

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Pagina 28

• La funzione di corrente vale quindi:

• Siccome sappiamo già che la superficie del cerchio è una superficie su cui ψ = costante , si può calcolare l’intensità K del doublet:

• Si possono quindi calcolare le velocità:

sinsin

sin2

rr

KU

r

KUr

sin12

2

02

0

r

rUrUrK

sin1 ; cos12

2

0

2

2

0

r

rUv

r

rUv

r

UNIFORME + DOPPIETTO (3)

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Pagina 29

• Sulla superficie del profilo, dove r = r0, si ha:

• Il valore massimo della velocità si ha per θ = ± π/2 . Se invece ci si muove radialmente dal cilindro in direzione radiale la velocità tangenziale diminuisce con il quadrato del raggio (vedi figura iniziale).

• Trascurando le variazioni di quota si può calcolare la pressione in ogni punto del dominio fluido attraverso il trinomio di Bernoulli scritto tra un punto sulla superficie e un punto del campo di moto:

sin2 ; 0 Uvvr

22

0sin41

2

1 Upp

s

sin1 ; cos12

2

0

2

2

0

r

rUv

r

rUv

r

UNIFORME + DOPPIETTO (4)

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Pagina 30

• Il confronto tra il risultato numerico e sperimentale evidenzia l’effetto dovuto allo sviluppo dello strato limite e della separazione dello stesso quando il gradiente di pressione è avverso.

• Se si valutano le forze di lift e drag e si inserisce l’espressione ottenuta per ps si perviene al paradosso di d’Alambert:

0sin ; 0cos

2

0

2

0

dapFdapFsysx

UNIFORME + DOPPIETTO (5)

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Pagina 31

• Poiché il flusso è non viscoso ed il campo irrotazionale, la teoria a potenziale riferisce che il cilindro non è soggetto ad alcuna forza di Drag

• Il confronto tra il risultato numerico e sperimentale evidenzia l’effetto dovuto allo sviluppo dello strato limite e della separazione dello stesso quando il gradiente di pressione è avverso (parte posteriore del cilindro)

UNIFORME + DOPPIETTO (6)

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Pagina 32

• Consideriamo nuovamente il flusso intorno ad un ostacolo circolare cui aggiungiamo una sorgente tipo vortice:

• La velocità tangenziale sulla superficie assume un valore diverso rispetto al caso precedente:

• Il punto di stagnazione varia a seconda dei valori assunti dalla funzione Γ.

rr

rUr ln

2sin1

2

2

0

004

sin2

sin2Urr

Uvstag

UNIFORME + DOPPIETTO + VORTICE (1)

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UNIFORME + DOPPIETTO + VORTICE (2)

0 14

0

Ur

14

0

Ur1

40

Ur

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• Se andiamo a valutare il campo di pressione in questo caso, assume la seguente forma (con Bernoulli):

• Calcolando le forze di lift e drag si vede che, mentre il drag resta nullo, il lift diventa diverso da zero:

• L’equazione generalizzata per la valutazione del lift in funzione di densità, velocità e circolazione si chiama legge di Kutta-Jukowski.

222

2

22

0

4

sin2sin41

2

1

UaaUUpp

s

UFFyx

; 0

UNIFORME + DOPPIETTO + VORTICE (3)

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• Nella pratica questo modello fisico rivela che un cilindro dotato di circolazione ed investito da una corrente sviluppa un azione di lift.

• Nella pratica, a causa delle azioni di no-slip a parete, quando un cilindro viene posto in rotazione sviluppa una circolazione non nulla dando effettivamente ruolo ad un’ azione di lift:

• Questo è detto

EFFETTO MAGNUS

E NELLA REALTA’?

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• Nella pratica qualsiasi corpo in rotazione sviluppa questo effetto e guadagna un’ azione proporzionale alla sua rotazione (Golf, Calcio)

• Nel caso di una corpo sferico lanciato, il flusso visto dalla stessa è quello relativo dovuto al suo movimento

ESEMPI

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E’ Possibile ottenere la soluzione intorno ad una geometria semplice

(Cilindro) e con trasformazione conforme (retta da Eq. di Laplace)

trasportarla intorno al profilo atteso che:

si mappi nel cerchio

02

2

2

2

xy

0

2

2

2

2

),(),( yx

Flusso Intorno ad Un Profilo Isolato

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• Da un punto di vista matematico si possono sviluppare degli operatori matematici nel campo complesso che permettono di trasformare la generica sezione circolare in una sezione di forma differente e viceversa. Questo metodo è detto CONFORMAL MAPPING.

Queste trasformazioni permettono quindi di risolvere il flusso intorno al cilindro e poi di “trasportare” la soluzione trovata alla geometria del profilo. La circolazione è trovata imponendo la condizione di Kutta.

Flusso Intorno ad Un Profilo Isolato

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• Per le trasformazioni da cilindro a profilo si adotta come intensità del vortice quello per cui il punto di ristagno a valle cade sul trailing edge della pala (condizione di kutta)

Flusso Intorno ad Un Profilo Isolato

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ESTENSIONE DELLA TEORIA A POTENZIALE • Altri metodi invece sfruttano distribuzioni complesse di flussi base per

modellare geometrie reali come profili aerodinamici (panel methods).

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FLUSSI NON VISCOSI SUPERSONICI (esempi)

Esercizio 1

• Trovare le condizioni del flusso nelle varie zone contrassegnate (1,2,3,4,5)

M1 = 3, T1 = 277.6K, p1 = 1.034 bar, γ=1.4, θ = 10

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FLUSSI NON VISCOSI SUPERSONICI (esempi)

• Notare come nascano, anche nel caso non viscoso, una forza di lift ed una di drag.

Drag

Lift

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FLUSSI NON VISCOSI SUPERSONICI (esempi)

Esercizio 1

• Dimensionare il condotto in modo che non si abbiano urti riflessi

M1 = 3, T1 = 300 K, p1 = 1 bar, γ = 1.4, θ = 10

D

D2?

θ

1

2

L?

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APPENDICE

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APPENDICE

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APPENDICE

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Bibliografia

• Munson, B.R., Young, D.F., Okiishi, T.H., Fundamentals of Fluid Mechanics, fourth edition, John Wiley and Sons, Inc., ISBN 0-471-44250-X

• White,F.M., Fluid Mechanics, sixth edition, McGraw Hill, ISBN 978-0-07-128645-9

• Liepmann, H.W.; Roshko, A. (1993) [1957], Elements of gasdynamics, Courier Dover Publications, ISBN 0-486-41963-0