Obiettivi Formativi

Il corso di Idraulica partendo da alcuni concetti della meccanica dei fluidi, intende far sviluppare la capacità di applicare in maniera autonoma le nozioni teoriche per impostare, analizzare e risolvere problemi teorici anche complessi. In particolare si intende fornire agli allievi ingegneri del Corso di Laurea in Ingegneria Civile 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. Lo studente deve dimostrare di conoscere e saper comprendere principi, metodi e strumenti dell’Idraulica necessari per risolvere problemi teorici e pratici inerenti la statica dei fluidi, i fluidi perfetti, il moto dei fluidi nelle reti in pressione. Deve, inoltre, dimostrare di saper utilizzare i concetti teorici e pratici acquisiti per procedere all’impiego degli stessi ai fini della verifica e del dimensionamento di elementi o sistemi idraulici in pressione. Lo studente deve essere in grado di valutare in maniera autonoma situazioni anche diverse da quelle standard presentate dal docente durante il corso e di adottare le migliori metodologie risolutive; deve avere la capacità di sviluppare e presentare temi relativi all’Idraulica utilizzando correttamente il linguaggio tecnico-scientifico; deve essere in grado di aggiornarsi continuamente, tramite la consultazione di testi e pubblicazioni (anche in lingua inglese), allo scopo di acquisire la capacità di approfondire gli argomenti specifici dell’Idraulica.

Learning Goals

Starting from some concepts of fluid mechanics, the hydraulics course aims to develop the ability to autonomously apply the theoretical basics to set up, analyse and solve complex theoretical problems. In particular, the intention is to provide students of the Civil Engineering Degree Course with not only the theoretical basis of the calculation, but also the indications necessary for the application of the concepts presented. To this aim, each new fundamental notion, as rigorous and concise as possible, will be followed by the display of applicative examples of engineering problems, with particular attention to achieving the final numerical result, also in order to sensitize the students about the values that the variables involved can assume in the most common cases. Students should demonstrate their knowledge and understanding of the basics, methods and tools of Hydraulics which are needed to solve theoretical and practical problems related to statics, to ideal fluids, to fluid flows in steady current pipes. Students should demonstrate their ability to use the acquired theoretical and practical concepts to be applied for verifying and designing steady flow pipe elements or systems. Students should be able to evaluate situations different from the standard ones presented by the teacher during the course and to adopt the best solution methods; they should have the ability to develop and present topics related to hydraulics and hydrography using the technical-scientific language correctly; they should be able to be continuously updated, through the consultation of texts and publications (also in English), in order to acquire the ability to deepen topics of the Hydraulic field.

Metodi didattici

Il corso prevede l’erogazione di 24 ore di didattica frontale e 24 ore di esercitazioni in aula. Le lezioni vengono svolte proiettando slide ed integrando con spiegazioni alla lavagna. Durante la lezione frontale viene sempre favorito e stimolato il colloquio e l’interazione tra il docente e gli studenti, che avranno così modo di verificare il proprio livello di comprensione, di sviluppare il proprio spirito critico e di acquisire e maturare sia il linguaggio tecnico che la capacità di applicare le tematiche affrontate. La preparazione è altresì completata attraverso le appicazioni pratiche trattate durante le ore di esercitazione. In tali occasioni 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 24 hours of frontal lectures and 24 hours of tutorials. The frontal lessons are carried out by projecting slides and integrating with explanations on the blackboard. During the lesson, the dialogue and interaction between the teacher and the students is always encouraged and stimulated, so they will be able to check their level of understanding, develop their critical spirit and acquire and mature both the technical language and the ability to apply the addressed issues. The preparation is also completed through the practical applications treated during the practice hours. On such occasions, students must be equipped with a calculator and carry out practical applications until the final numerical result is achieved.

Prerequisiti

Per poter frequentare utilmente il corso di Idraulica I 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 is essential to have the basic physical-mathematical prerequisites, which are applied continuously during both lectures and practical applications.

Verifiche dell'apprendimento

L’esame prevede una prova scritta ed una prova orale facoltativa cui è possibile accedere solo previo superamento della prova scritta. La prova scritta consta di esercizi pratici, ed alcune domande teoriche. Gli esercizi sono valutati molto positivamente se lo studente accerta di saper mettere in pratica le conoscenze e competenze acquisite, fino al raggiungimento del risultato numerico finale; positivamente se lo studente dimostra di saper mettere in pratica le conoscenze e competenze acquisite, ma non è in grado di ottenere il risultato numerico finale; negativamente se lo studente non è in grado di mettere in pratica le conoscenze e competenze acquisite. Sono altresì oggetto di valutazione il rigore metodologico e la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti. Gli studenti che seguono con continuità il corso potranno svolgere delle prove in itinere il cui superamento consente di non sostenere la prova scritta. La partecipazione alle prove in itinere non è obbligatoria. Il numero delle prove in itinere è di norma pari a tre, la prima riguardante la statica, la seconda la dinamica dei fluidi perfetti e reali, la terza il moto nelle reti idrauliche e nei sistemi a superficie libera. La validità delle prove ha durata pari ad un anno solare dall’ultima prova sostenuta. Lo studente che non supera le prove in itinere e voglia comunque partizionare l’esame può richiedere di svolgere un esame parziale per un solo modulo. La valutazione finale in ogni caso sarà la media delle votazioni ottenute in ciascuna prova parziale. E’ indispensabile prenotarsi con congruo anticipo rispetto alla data della prova scritta tramite il sistema ESSE3.

Assessment

The exam is made of a written examination and an optional oral discussion. The latter can be endorsed only if the written examination has been passed. The written exam is made of practical exercises and few theoretical questions. Exercises are very positively evaluated if the student certifies the capability to apply acquired knowledge and skills and reaches the correct final numerical result; they are positively evaluated if the student certifies the capability to apply acquired knowledge and skills but doesn’t reaches the correct final numerical result; they are negatively evaluated if the student doesn’t certify the capability to apply acquired knowledge and skills. The methodological rigor and the correct technical language in the presentation of the topics are also evaluated. Students who attend the course can carry out some intermediate tests. If students pass all the intermediate tests, they can skip the final written examination. Participation in the ongoing tests is not mandatory. The number of intermediate tests is normally equal to three, the first concerning the static, the second the dynamics of perfect and real fluids, the third the flow in hydraulic networks and free surface systems. The validity of the tests lasts one year from the last taken test. Students who do not pass the ongoing tests and still want to partition the exam can request to take a partial exam for a single module. The final evaluation in any case will be the average of the marks obtained in each partial test. It is necessary to register 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. Sforzi nei sistemi continui. Proprietà meccaniche dei fluidi e unità di misura. Densità e peso specifico. Comprimibilità. Tensione superficiale. Viscosità. Fluidi non-newtoniani. Assorbimento dei gas. Statica dei fluidi. Sforzi interni nei fluidi in quiete. Equazione indefinita della statica dei fluidi. Equazione globale dell’equilibrio statico. Statica dei fluidi pesanti incomprimibili. Misura della pressione. Spinta su superfici piane e curve. Spinta su 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. Regimi di moto: moto laminare e moto turbolento. Conservazione della massa fluida. Equazione di continuità in forma differenziale. Equazione di continuità in forma integrale. Equazione di continuità per le correnti. Equazioni fondamentali dell’idrodinamica. Equazione indefinita del movimento. Equazione globale dell’equilibrio dinamico. Applicazioni: spinta di un getto su una piastra; spinta sopra una curva di una tubazione. Il teorema di Bernoulli. Generalità - Distribuzione della pressione nel piano normale. Correnti lineari. Il teorema di Bernoulli. Interpretazione geometrica ed energetica. Applicazioni: processi di efflusso, venturimetro, tubo di Pitot, eliche. Estensione al moto vario. Estensione ai fluidi reali. Potenza di una corrente in una sezione. Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente. Relazione fra i coefficienti di ragguaglio. Scambio di energia fra una corrente e una macchina - Estensione del teorema di Bernoulli ai moti irrotazionali. Analisi dimensionale e similitudine Analisi dimensionale teorema di Buckingham, similitudine. Modelli fisici. 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. Strato limite. Correnti in pressione. Generalità sul moto uniforme. Moto laminare. Caratteristiche generali del moto turbolento: grandezza turbolente e valori medi. Sforzi tangenziali viscosi e turbolenti. Ricerche sul moto uniforme turbolento. Analisi dimensionale. Teorema di Buckingham. Moto nei tubi lisci. Moto nei tubi scabri. Formule pratiche. Perdite di carico localizzate. Brusco allargamento. Perdite di sbocco, di imbocco e di brusco restringimento. Convergenti e divergenti. Altri tipi di perdite. Dispositivi di strozzamento. Calcolo idraulico di una condotta. Correnti in depressione.

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 and their measurement units. Density and specific weight. Compressibility. Surface tension. Viscosity. Non newtonian fluids. Gas absorption. 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 a plane surface. Pressure forces on a curve surface. Pressure forces on immersed bodies. Buoyancy. Small specific weight fluids. Heavy compressible fluid statics. Relative equilibrium. Fluid kinematics Lagrangian and eulerian approaches. Velocity and acceleration. Rotation and deformation. Characteristic elements of flow field. Steady and uniform flow. Flow regimes: laminar and turbulent flows. Mass conservation equation. Continuity equation in differential and integral form. Continuity equation for a current. Fundamental equations of fluid mechanics Differential and integral momentum equation. Applications: jet force over a slab, force over a curve. Bernoulli equation Pressure distribution on the normal plane. Linear currents. Geometric and energetic interpretation. Applications: outflow processes, Pitot tube, venturimeter. Extension to un steady flows. Extension to viscous fluids. Current power in a section. Extension of Bernoulli equation to a current. Comparison coefficients. Energy exchange between a current and a machine. Extension of Bernoulli equation to irrotational flows. Dimensional analysis and similitude Buckingham theorem. Reynolds and Froude similitudes. Models. Viscous fluid equations Navier Stokes equations. Integral equilibrium equation. Current drag. Boundary layer and current separation. Boundary layer on a flat plate. Approximation for boundary layer study. Steady flow in pipes. Generalities on uniform flows. Laminar flow. General characteristics of turbulent flow: turbulent quantities and average values. Viscous and turbulent stresses. Researches on uniform turbulent flow. Dimensional analysis. Flow in smooth pipes. Flow in rough pipes. Practical formulae. Localized energy dissipations. Abrupt enlargement. Outlet, inlet, abrupt compression. Convergent and divergent pipes. Other localized energy dissipations. Hydraulic calculation of a pipe. Current in depression.