Obiettivi Formativi

Modulo A 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, fornendo anche le indicazioni necessarie all’applicazione dei concetti esposti. Ad ogni nuova rappresentazione di nozioni fondamentali, seguirà l’esposizione di esempi applicativi di interesse ingegneristico, con particolare attenzione al raggiungimento del risultato finale, anche allo scopo di sensibilizzare gli allievi circa i valori che le variabili in gioco possono assumere - 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. - Lo studente deve 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. - Lo studente deve avere la capacità di sviluppare e presentare temi relativi all’Idraulica utilizzando correttamente il linguaggio tecnico-scientifico. - Lo studente 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. Modulo B Il corso di Idraulica (modulo B), ha l’obiettivo di approfondire le capacità e l’autonomia dello studente nello studio delle discipline idrauliche, con particolare riferimento al moto dei fluidi nelle reti idrauliche e nei sistemi naturali. In particolare, come già impostato nel corso del modulo A, si intende completare la formazione degli allievi ingegneri del Corso di Laurea in Ingegneria Civile non solo delle basi teoriche, ma anche con verifiche ed applicazioni progettuali. A tal fine i concetti esposti saranno sempre accompagnati da esempi applicativi di interesse ingegneristico, con particolare attenzione verso approcci risolutivi di tipo analitico, numerico, o grafico, 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 conoscenza e comprensione dei processi di moto dei fluidi nelle reti idrauliche e nelle correnti a pelo libero, della meccanica del moto ondoso, del trasporto solido nei corsi d’acqua, nonché acquisire sensibilità sulle variabili che caratterizzano i processi di moto stazionari e non stazionari. - Lo studente deve dimostrare di saper utilizzare i concetti teorici e pratici acquisiti per procedere all’impiego degli stessi ai fini della verifica e del dimensionamento di reti idrauliche, di impianti di sollevamento ed idroelettrici. Dovrà altresì, saper risolvere problemi inerenti i moti a superficie libera, ivi compresa la propagazione del moto ondoso, e saper applicare le conoscenze assimilate per valutare variabili idrauliche di interesse ingegneristico. - 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. - Lo studente deve avere la capacità di sviluppare e presentare temi relativi all’Idraulica utilizzando correttamente il linguaggio tecnico-scientifico. - Lo studente 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

Modulo A 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 giving also the indications for the application of the concepts presented. To this aim, each new fundamental notion, will be followed by applicative examples of engineering problems, with particular attention to achieve the final numerical result, also to sensitize students about the values of the involved variables - 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. - Students should have the ability to develop and present topics related to hydraulics and hydrography using the technical-scientific language correctly. - Students 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. Modulo B The hydraulics course (B module) aims to deepen the ability and the autonomy of the student in the study of hydraulic disciplines with particular emphasis on hydraulic systems and fluid flows in natural environments. In particular, as already set up within A module, the aim is to complete the formation of the Civil Engineering Degree Course students with not only the theoretical basis of the calculation, but also with verification issues and design concepts. To this aim, each new fundamental notion will be followed by applicative examples of engineering problems, with particular attention to solution approaches either analytical or numerical or graphic, 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 hydraulic systems and free surface flows, with particular emphasis on open channel flows, on water wave mechanics, on sediment transport in rivers. Students should also acquire sensitivity on the main variables that characterize steady and unsteady flows. - Students should demonstrate their ability to use the acquired theoretical and practical concepts to be applied for verifying and designing hydraulic systems, hydroelectric and pumping plants. They should also be able to solve problems regarding free surface flows, including wave propagation, and to apply their knowledge in order to evaluate hydraulic variables of engineering interest. - 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. - Students should have the ability to develop and present topics related to hydraulics and hydrography using the technical-scientific language correctly. - Students 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 48 ore di didattica frontale e 48 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 applicazioni pratiche trattate durante le ore di esercitazione. In tali occasioni gli studenti dovranno essere muniti di calcolatrice o pc ed eseguire le applicazioni pratiche fino al raggiungimento del risultato numerico finale. Seminari, esercitazioni pratiche in laboratorio e visite didattiche possono altresì essere previste per completare la preparazione

Teaching Methods

The course is based on 48 hours of lectures in the classroom and 48 hours of exercises in the classroom. The lectures in the classroom are carried out by projecting slides and integrating with explanations on the blackboard. During the lectures, 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 exercises in the classroom 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. Seminars, practical based lessons in laboratory and offsite educational visits could be proposed to complete the preparation.

Prerequisiti

Modulo A Per poter frequentare utilmente il corso di Idraulica (modulo A) è fondamentale avere i prerequisiti fisico-matematici di base, che verranno applicati con continuità nell’ambito sia delle lezioni teoriche che delle applicazioni pratiche. Modulo B Per frequentare utilmente il corso è fondamentale avere acquisito i fondamenti di idraulica forniti nel modulo A.

Prerequisites

Modulo A 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. Modulo B In order to usefully attend the course is essential to have acquired the basic hydraulics given within the A module.

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 3-4 esercizi pratici, e 2-3 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 la capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato e la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti. La votazione della prova scritta è espressa in trentesimi, si intende superata con un voto uguale o maggiore di 18/30 e può essere migliorata attraverso il colloquio orale. Gli studenti che seguono con continuità il corso potranno svolgere delle prove in itinere, a metà e fine corso, 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 due, la prima riguardante la statica e dinamica dei fluidi perfetti e reali, la seconda 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. Durante le prove scritte è possibile consultare abachi e/o tavole e utilizzare calcolatrici. E’ indispensabile prenotarsi con congruo anticipo rispetto alla data della prova scritta tramite il sistema ESSE3.

Assessment

The exam is made of a written exam and an optional oral exam. The latter can be endorsed only if the written exam has been passed. The written test is made of 3 - 4 practical exercises and 2 - 3 open answer 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 critical reasoning skills on the study conducted and the expertise in the use of specialized vocabulary in the presentation of the topics are also evaluated. The score is out of thirty, the written test is considered passed if the overall evaluation is not less than 18/30, and can be improved by the oral interview. Students who attend the course can carry out some ongoing tests, in the middle and at the end of the course. If students pass all the ongoing 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 two, the first concerning the static and the dynamics of perfect and real fluids, the second 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 arithmetic mean of all the obtained scores in each partial test. During written and ongoing tests it is possible to consult abacus and/or tables and use calculators. It is necessary to register before the written test by using ESSE3 system

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: 7233/1 - IDRAULICA A ------------------------------------------------------------ INTRODUZIONE AL CORSO I FLUIDI E LE LORO PROPRIETÀ Definizione di fluido. Sistemi continui. Sforzi nei sistemi continui. Proprietà meccaniche 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 e globale della statica dei fluidi. 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 e uniforme. Regimi di moto. Equazione di continuità in forma differenziale, integrale, per le correnti EQUAZIONI FONDAMENTALI DELL’IDRODINAMICA Equazione indefinita del movimento. Equazione globale dell’equilibrio dinamico. Applicazioni. IL TEOREMA DI BERNOULLI Distribuzione della pressione nel piano normale. Correnti lineari. Il teorema di Bernoulli. Interpretazione geometrica ed energetica. Applicazioni: processi di efflusso, venturimetro, tubo di Pitot. Estensione ai fluidi reali. Potenza di una corrente. Estensione ad una corrente. Relazione fra i coefficienti di ragguaglio. Scambio di energia fra una corrente e una macchina Estensione ai moti irrotazionali 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 ------------------------------------------------------------ Modulo: 7233/2 - IDRAULICA B ------------------------------------------------------------ MOTO UNIFORME E PERMANENTE NELLE LUNGHE CONDOTTE Generalità. Condotta con erogazione uniforme. Verifica di sistemi di lunghe condotte. Dimensionamento di sistemi di lunghe condotte. Dimensionamento di impianti di sollevamento 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 Generalità. Moto stazionario uniforme. Scala di deflusso delle portate. Caratteristiche energetiche della corrente. Alvei a debole e forte pendenza. Carattere cinematico delle correnti. Moto permanente. Andamento qualitativo dei profili di rigurgito per alvei cilindrici. Il risalto idraulico. Passaggio sopra una soglia di fondo e tra le pile di un ponte CENNI DI MOTO VARIO NELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA Nozione elementare di onda. Le equazioni del moto vario in correnti a superficie libera. ONDE DI MARE Onde monocromatiche. Formulazione del problema. Soluzione per onde di piccola ampiezza. Relazione di dispersione. Approssimazioni per acque profonde e acque basse. Traiettorie delle particelle. Campo di pressione. Energia ELEMENTI INTRODUTTIVI SUL DEFLUSSO NEGLI ACQUIFERI Generalità. 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. Studio della condizione di moto incipiente. Valutazione della portata solida. Cenni sul trasporto solido in sospensione

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: 7233/1 - IDRAULICA A ------------------------------------------------------------ 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. 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. 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. ------------------------------------------------------------ Modulo: 7233/2 - IDRAULICA B ------------------------------------------------------------ STEADY FLOW IN PIPE NETWORKS Pipe with uniform erogation. Pipe network verification. Pipe network design. Pumping sistems 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 Computation of flood discharge in uniform flows. Energy in open channel flows. Critical energy. Mild and steep slopes. Propagation of a perturbation. Steady flow. Qualitative behavior of open channel 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. 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 (refraction, diffraction, shoaling). 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. Suspended load.