Obiettivi Formativi

Il corso si propone l’obiettivo di fornire allo studente le conoscenze di base della teoria termoacustica lineare. La teoria è a fondamento della tecnologia di conversione termoacustica dell’energia che occupa un ruolo di primo piano nell’ambito delle tecnologie emergenti per le energie alternative e rinnovabili. Nella parte iniziale del corso vengono richiamate nozioni fondamentali di fluidodinamica ed acustica generale. Tali conoscenze verranno poi sviluppate ed applicate approfonditamente nell’analisi della propagazione del suono in condotti e mezzi porosi. Tale studio costituisce lo strumento teorico necessario per l’ingegnerizzazione di motori e refrigeratori basati sulla tecnologia termoacustica. Le capacità acquisite verranno infine applicate nella progettazione al calcolatore di dispositivi termoacustici elementari.

Learning Goals

The course aims to provide the student with the basic knowledge of the linear thermoacoustic theory. The theory is the foundation of the thermo-acoustic energy conversion technology that plays a major role in the context of the emerging technologies for alternative and renewable energies. In the initial part of the course, basic concepts of fluid dynamics and general acoustics are provided. This knowledge will then be developed and applied in depth in the analysis of the sound propagation in ducts and porous media. This study constitutes the theoretical tool necessary for the engineering of engines and coolers based on the thermoacoustic technology. The acquired skills will finally be applied in the computer assisted design of elemental thermoacoustic devices.

Metodi didattici

Lezioni teoriche ed esercitazioni in aula.

Teaching Methods

Lectures and exercises.

Prerequisiti

Contenuto dei corsi di Analisi Matematica, Fisica Generale e Fisica Tecnica

Prerequisites

Content of the courses of Mathematical Analysis, General Physics and Technical Physics

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento prevede un esame composto da una prova orale.

Assessment

Oral examination

Programma del Corso

Richiami di fluidodinamica Proprietà fisiche dei fluidi. Equazione di continuità. Forze agenti su un volume finito. Equazione di conservazione del momento. Equazione di conservazione dell’energia. Flusso di momento e di energia. Equazione di stato. Flusso incompressibile. Flusso non-viscoso. Flusso di un fluido viscoso: dissipazione dell’energia ed aumento dell’entropia. Teoria ondulatoria del suono Le variabili acustiche. Le equazioni dell’acustica lineare. La velocità del suono. L’equazione d’onda. Onde piane e onde piane armoniche. Onde progressive e stazionarie. Notazione complessa. Impedenza acustica specifica. Energia acustica e intensità. Onde sferiche. Scale dei decibel. Riflessione, trasmissione, assorbimento ed emissione di onde acustiche Riflessione da una superficie rigida piana. Riflessione e trasmissione all’interfaccia tra due fluidi. Impedenza acustica specifica normale. Assorbimento causato dalla viscosità. Velocità del suono complessa. Assorbimento dovuto alla conduzione termica. Il coefficiente di assorbimento classico. Attenuazione del suono in condotti larghi. Emissione del suono da corpi vibranti. Impedenza di radiazione. Risuonatori e guide d’onda Frequenze naturali in cavità e guide d’onda. Onde stazionarie in risuonatori. Irradiazione di potenza da tubi aperti e orifizi. Fattore di qualità. Sistema combinato driver-risuonatore. Limite a grandi lunghezze d’onda: impedenza acustica concentrata. Il risuonatore di Helmholtz. Riflessione e trasmissione di onde in un condotto. Filtri acustici. Onde in condotti a sezione variabile. Misure di potenza. Teoria termoacustica lineare Propagazione del suono in mezzi porosi. L’equazione di continuità. L’equazione del momento. L’equazione dell’energia. L’equazione d’onda. Impedenza acustica concentrata di un segmento. Inertanza acustica e resistenza viscosa. Compliance acustica e resistenza termica. Potenza acustica. Flusso totale di energia. Flusso di calore. Dispositivi a onda stazionaria Potenza acustica in uno stack. Flusso termico in uno stack. Descrizione Lagrangiana. Le approssimazioni “Boundary layer” e “Short-stack”. Motori a onda stazionaria. Refrigeratori a onda stazionaria Dispositivi a onda progressiva Potenza Acustica in un rigeneratore. Flusso termico in un rigeneratore. Descrizione Lagrangiana. Motori a onda progressiva. Refrigeratori a onda progressiva. La configurazione torus-risuonatore. La configurazione looped-tube. Effetti non-lineari Mezzi porosi tortuosi. Turbolenza. Perdite minori. Effetti d’imbocco. Condizioni nei raccordi. Streaming acustico: Gedeon streaming; Rayleigh streaming; Streaming da effetti di jet; Streaming in rigeneratori e stack; Onde di shock. Componenti hardware Il fluido di lavoro. Stack e rigeneratori. Scambiatori di calore. Risuonatori. Trasduttori di potenza elettroacustici. Progettazione al calcolatore Progettazione con il software “Design Environment for Low-amplitude Thermoacoustic Energy Conversion” (DeltaEC).

Course Syllabus

Background on fluidynamics Physical properties of fluids. The continuity equation. Forces acting on a finite volume. The momentum equation. The energy equation. The momentum and energy flux. The state equation. Incompressible flow. Inviscid flow. Viscous flow: energy dissipation and entropy increase. The wave theory of sound The acoustic variables. The equations of linear acoustics. The speed of sound. The wave equation. Plane waves and harmonic plane waves. Travelling and standing waves. Complex notation. Specific acoustic impedance. Acoustic energy and intensity. Spherical waves. Decibel scales Reflection, transmission, absorption and radiation of sound waves Reflection from a flat rigid surface. Reflection and transmission at the interface between two fluids. Normal specific acoustic impedance. Absorption from viscosity. Complex speed of sound. Absorption from thermal conduction. The classical absorption coefficient. Attenuation of sound in wide pipes. Sound radiation from vibration bodies. Radiation impedance. Resonators and waveguides Natural frequencies in cavities and waveguides. Standing waves in resonators. Power radiation from open-ended pipes and orifices. Quality factor. Combined driver-pipe system. The long wavelenght limit: lumped acoustic impedance. The Helmholtz resonator. Reflection and transmission of waves in a pipe. Acoustic filters. Waves in pipes with variable cross-section. Power measurements. Linear thermoacoustic theory Sound propagation in porous media. The continuity equation. The momentum equation. The energy equation. The wave equation. Lumped acoustic impedance of a segment. Acoustic inertance and viscous resistance. Acoustic compliance and thermal resistance. Acoustic power. Total energy flux. Heat flux. Standing-wave systems Acoustic power in a stack. Heat flux in a stack. Lagrangian description. The “Boundary layer” and “Short stack” approximations. Standing wave engines. Standing wave refrigerators. Travelling-wave systems Acoustic power in a regenerator. Heat flux in a regenerator. Lagrangian description. Travelling-wave engines. Travelling-wave refrigerators. The torus-resonator configuration. The looped-tube configuration. Non linear effects Tortuous porous media. Turbulence. Monor losses. Entrance effects. Joining conditions. Acoustic streaming: Gedeon streaming; Rayleigh streaming; jet-driven streaming; Streaming within regenerators and stacks. Shock-waves. Hardware components The working fluid. Stacks and regeneratos. Heat exchangers. Resonators. Electroacustic power transducers. Computer assisted design Design by the software “Design Environment for Low-amplitude Thermoacoustic Energy Conversion” (DeltaEC).