Obiettivi Formativi

Partendo da alcuni concetti della meccanica dei fluidi, l’insegnamento dell'Idraulica intende fornire agli allievi ingegneri del Corso di Laurea in Ingegneria Civile e Sistemi Edilizi non solo le basi teoriche del calcolo, ma anche le indicazioni necessarie all’applicazione dei concetti esposti. Infatti, ad ogni nuova rappresentazione di nozioni fondamentali, per quanto possibile rigorosa e concisa, seguirà l’esposizione di esempi applicativi di interesse ingegneristico, con particolare attenzione verso il raggiungimento del risultato numerico finale, anche allo scopo di sensibilizzare gli allievi circa i valori che le variabili in gioco possono assumere nei casi più comuni.

Learning Goals

Based on some concepts of fluid mechanics, the Hydraulics Course is aimed at providing to engineering students of the Degree in Civil Engineering and Building Systems not only the theoretical basis of the calculation, but also the necessary information for the application of the addressed concepts. In fact, for each new representation of fundamentals, as far as possible rigorous and concise, the presentation of applicative examples of engineering interest will follow, with particular attention to the achievement of the final result, also in order to raise awareness among students about the values that the variables can assume in the most common cases.

Metodi didattici

Il corso prevede l’erogazione di 36 ore di didattica frontale e 24 ore di esercitazioni in aula. Durante le esercitazioni gli studenti dovranno essere muniti di calcolatrice ed eseguire le applicazioni pratiche fino al raggiungimento del risultato numerico finale.

Teaching Methods

The course is based on 36 hours of frontal lectures and 24 hours of tutorials. During the execution of the tutorials students should bring their calculators and carry out the schoolwork until they reach the final result.

Prerequisiti

Per poter frequentare utilmente il corso di Idraulica è fondamentale avere i prerequisiti fisico-matematici di base, che verranno applicati con continuità nell’ambito sia delle lezioni teoriche che delle applicazioni pratiche.

Prerequisites

In order to usefully attend the course of Hydraulics is essential to have the basic physical-mathematical prerequisites, which will be applied continuously during both lectures and practical applications.

Verifiche dell'apprendimento

L’esame prevede una prova scritta ed una prova orale cui è possibile accedere solo previo superamento della prova scritta. Gli studenti che seguono con continuità il corso potranno svolgere delle prove in itinere il cui superamento consente di non sostenere la prova scritta. E’ indispensabile prenotarsi almeno tre giorni prima della data della prova scritta tramite il sistema ESSE3.

Assessment

The exam is made of a written examination and an oral discussion. The latter can be endorsed only if the written examination has been passed. Students who attend the course can carry out some intermediate tests. If they pass all the intermediate tests, they can skip the final written examination. It is necessary to register for the exam at least three days before the written test by using ESSE3 system.

Programma del Corso

Introduzione al corso I fluidi e le loro proprietà. Definizione di fluido. I fluidi come sistemi continui. Forze e sforzi. Proprietà dei fluidi. Fluidi non-newtoniani. Statica dei fluidi. Sforzi interni nei fluidi in quiete. Equazione indefinita e globale della statica. Statica dei fluidi pesanti incomprimibili. Misura della pressione. Spinte su superfici piane e curve Spinta sopra corpi immersi. Fluidi di piccolo peso specifico. Cinematica dei fluidi. Approccio lagrangiano ed euleriano. Velocità e accelerazione. Rotazione e deformazione. Elementi caratteristici del campo di moto. Moto permanente, moto uniforme. Equazione di continuità. Equazioni fondamentali dell’idrodinamica. Equazione indefinita e globale del movimento. Applicazioni. Il teorema di Bernoulli. Distribuzione della pressione nel piano normale. Correnti lineari. Il teorema di Bernoulli. Interpretazione geometrica ed energetica. Applicazioni. Estensione al moto vario. Estensione ai fluidi reali. Potenza di una corrente in una sezione. Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente. Macchine idrauliche. Equazioni del moto dei fluidi reali. Generalità. Le equazioni di Navier-Stokes per i fluidi viscosi. Equazione globale di equilibrio. Azione di trascinamento di una corrente. Correnti in pressione. Generalità sul moto uniforme. Moto laminare. Caratteristiche generali del moto turbolento. Sforzi viscosi e turbolenti. Analisi dimensionale. Moto nei tubi lisci e scabri. Formule pratiche. Perdite di carico localizzate. Calcolo idraulico di una condotta. Correnti in depressione. Moto uniforme e permanente nelle lunghe condotte Generalità. Condotta con erogazione uniforme. Verifica di sistemi di lunghe condotte. Dimensionamento di sistemi di lunghe condotte. Moto vario nelle correnti in pressione Generalità. Esempi pratici di moto vario. Le equazioni del moto vario nelle correnti in pressione. Moto vario elastico. Manovre istantanee all'otturatore. Celerità della perturbazione. Fase di colpo diretto. Formula di Michaud. Oscillazioni di massa. Moto uniforme e permanente nelle correnti a superficie libera Moto uniforme. Scala delle portate. Caratteristiche energetiche della corrente. Alvei a debole e forte pendenza. Carattere cinematico delle correnti. Moto permanente. Andamento qualitativo dei profili in alvei cilindrici. Il risalto idraulico. Passaggio sopra una soglia di fondo. Passaggio attraverso le pile di un ponte. Moto vario nelle correnti a superficie libera Le equazioni del moto vario in correnti a superficie libera. Onda cinematica e parabolica. Onde di mare Onde monocromatiche. Formulazione del problema. Soluzione per onde di piccola ampiezza. Relazione di dispersione. Traiettorie. Campo di pressione. Cenni sulla propagazione del moto ondoso. Elementi introduttivi sul deflusso dei liquidi negli acquiferi Acque sotterranee e acquiferi. Velocità di filtrazione. Legge di Darcy. Deflusso verso un pozzo circolare artesiano. L'approssimazione di Dupuit per gli acquiferi freatici. Cenni di meccanica del trasporto solido Caratteristiche dei sedimenti. Meccanismi di trasporto dei sedimenti. Trasporto di fondo. Moto incipiente. Valutazione della portata solida.

Course Syllabus

Introduction to the course. Fluids and their properties. Definition of fluid. Fluid as a continuum medium. Stresses in continuum media. Mechanical properties of fluids. Non newtonian fluids. Fluid statics. Internal stresses in fluids at rest. Equilibrium equation for fluid statics in differential and integral form. Statics of heavy incompressible fluids. Pressure measurement. Pressure forces on plane and curve surfaces. Pressure forces on immersed bodies. Buoyancy. Small specific weight fluids. Heavy compressible fluid statics. Fluid kinematics. Lagrangian and eulerian approaches. Velocity and acceleration. Rotation and deformation. Characteristic elements of flow field. Steady and uniform flow. Continuity equation Fundamental equations of fluid mechanics. Differential and integral momentum equation. Applications Bernoulli equation Pressure distribution on the normal plane. Linear currents. Geometric and energetic interpretation. Applications. Extension to un steady flows. Extension to viscous fluids. Current power in a section. Extension of Bernoulli equation to a current. Energy exchange between a current and a machine. Viscous fluid equations. Navier Stokes equations. Integral equilibrium equation. Current drag. Steady flow in pipes. Uniform flows. Laminar flow. General characteristics of turbulent flow: turbulent quantities and average values. Viscous and turbulent stresses. Dimensional analysis. Flow in smooth and rough pipes. Practical formulae. Localized energy dissipations. Hydraulic calculation of a pipe. Current in depression. Steady flow in pipe networks. Pipe with uniform erogation. Pipe network verification. Pipe network design. Unsteady flow in pipes. Practical examples. Unsteady flow equations. Elastic unsteady flow. Instantaneous operations at the shutter. Perturbation celerity. Direct water hammer. Michaud formula. Mass oscillations. Uniform and Steady flow in open channels. Uniform flows. Energy in open channel flows. Critical energy. Mild and steep slopes. Propagation of a perturbation. Steady flow. Profiles in cylindrical rivers. Localized phenomena in steady open channel flows. Hydraulic jump. Passage over a step. Passage through bridge piles. Unsteady flow in open channel flows. Wave concept. Unsteady open channel flow equations. Kinematic model. Parabolic model. Sea Waves. Monochromatic waves. Formulation of the problem. Solution for small amplitude waves. Dispersion relation, Shallow and deep water approximations. Trajectories. Pressure field. Elements on wave propagation. Introductive elements on Flow in aquifers. Underground waters and aquifers. Filtration velocity. Darcy law. Flow towards an artesian well. Dupuit approximation for freatic wells. Outline on solid transport mechanics. Sediment characteristics. Sediment transport mechanisms. Bed load. Incipient motion. Solid discharge estimate.