Cos’è la fluidodinamica? Questa è una delle domande più frequenti tra gli studenti dei corsi di laurea in ingegneria meccanica. Si, perché la dinamica dei fluidi è una delle materie d’insegnamento presenti nel piano formativo di molti corsi di laurea ed è fondamentale da conoscere per chi vuole intraprendere certe professioni.
Ma partiamo dalle origini e cerchiamo di dare una prima definizione di fluidodinamica, che intendiamo come la branca della meccanica dei fluidi che studia il comportamento dei fluidi (ovvero liquidi e gas) in movimento.
Per risolvere un problema fluidodinamico occorre generalmente procedere nello svolgimento di equazioni differenziali per il calcolo di diverse proprietà del fluido, come, ad esempio, velocità, pressione, densità, e temperatura, in funzione dello spazio e del tempo.
Ma vediamo quali sono le equazioni della fluidodinamica più rilevanti e approfondiamo il concetto nei prossimi paragrafi di questa guida.
Quello che devi sapere sulla fluidodinamica e sulle leggi dei gas
Che cos’è la legge di Bernoulli? Cosa si intende per moto dei fluidi in fisica? A queste (e molte altre) domande risponderemo nel corso di questa guida.
Fluidodinamica: una definizione
Prima di rispondere ai quesiti più complessi, partiamo dalle origini e rispondiamo ad una domanda fondamentale: cos’è la fluidodinamica?
Come abbiamo accennato, per dinamica dei fluidi o fluidodinamica intendiamo lo studio del comportamento dei fluidi in moto, in relazione alle cause che lo determinano.
Nonostante possa sembrare, a primo impatto, una materia complessa e “lontana” dal quotidiano, sappi che in realtà non è affatto così. I fluidi, infatti, hanno un ruolo primario nella nostra vita. Ti basti pensare che:
- Il corpo umano è composto al 95% di acqua;
- La superficie della Terra è per i 2/3 coperta di acqua;
- L’atmosfera si estende per 17km al di sopra della superficie terrestre.
Come vedi, la disciplina è più “presente” di quanto pensi nella nostra vita di tutti i giorni.
La fluidodinamica e i suoi derivati, come l’idraulica e l’aerodinamica hanno, come saprai, tantissime applicazioni. Ma vediamo ora quali sono le leggi e i principi fondamentali da conoscere.
Equazioni della fluidodinamica: leggi da conoscere
Come abbiamo detto quando parlavamo di che cos’è la fluidodinamica, questa prevede l’impiego di diverse formule, basate su alcune leggi fondamentali.
Parlando di fluidodinamica e leggi fondamentali, possiamo menzionare:
- Equazioni di bilancio (anche dette leggi di conservazione);
- Equazione di continuità (o conservazione della massa);
- Legge di conservazione della quantità di moto (anche nota come seconda legge di Newton);
- Legge di conservazione dell’energia.
Queste leggi (equazioni di Navier-Stokes) sono un sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali non lineari basate sulla meccanica classica e vengono modificate nella meccanica relativistica.
Le equazioni classiche di Navier-Stokes, nella loro forma non semplificata, non hanno una soluzione generale in forma chiusa, e vengono risolte solo con la metodologia della fluidodinamica computazionale o CFD. Della fluidodinamica computazionale, però, parleremo più avanti.
Il moto dei fluidi in fisica
Generalmente, per fluido intendiamo quel materiale che, sottoposto ad uno sforzo di taglio, si deforma indefinitamente.
Se vogliamo ricavare le equazioni che regolano il moto dei fluidi è necessario ricorrere a un modello teorico di fluido, il fluido perfetto, o ideale, supposto del tutto incomprimibile e non viscoso, cioè senza attrito interno.
A differenza del fluido perfetto, il fluido reale è sia comprimibile che viscoso.
Le leggi che descrivono il moto dei fluidi perfetti hanno forme relativamente semplici, che possono venire modificate caso per caso quando si trattano i fluidi reali (i gas, invece, facilmente comprimibili, non sono fluidi perfetti, anche se in casi particolari ci si possono avvicinare).
Ciò che differenzia un fluido perfetto da uno reale è la presenza di una data caratteristica: la viscosità. La viscosità tende a ostacolare il moto del fluido imponendo che nelle equazioni del moto siano introdotti termini correttivi che tengano conto della dissipazione di energia causata dall’attrito interno tra le molecole.
Fluidodinamica computazionale: uno sguardo d’insieme
Che cos’è la fluidodinamica computazionale? Ne abbiamo fatto accenno in un nostro passo precedente, quando parlavamo delle equazioni di Navier-Stokes.
Riprendiamo ora il discorso dando una definizione di questo metodo. Per fluidodinamica computazionale si intende quel metodo che impiega l’analisi numerica e algoritmi per risolvere e analizzare i problemi di fluidodinamica mediante l’utilizzo del computer.
L’impiego principale della fluidodinamica computazionale è quello che riguarda la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes e quelle ad esse correlate.
Durante la procedura di analisi si segue un iter ben precise, che richiede di discretizzare il dominio fluido in celle elementari così da ottenere una griglia di calcolo (anche detta mesh), sulla quale applicare dei metodi di risoluzione iterativi al fine di risolvere le equazioni di Navier-Stokes o le equazioni di Eulero.
In generale, la procedura di analisi vede l’intervento di questi step:
- Definizione della geometria (o dominio fisico) del problema da analizzare;
- Suddivisione del volume occupato dal fluido in un gran numero di celle elementari per creare una griglia di calcolo;
- Definizione del modello fisico (ad esempio, le equazioni del moto + l’equazione dell’energia + le equazioni delle specie) e numerico (metodo di discretizzazione delle equazioni, algoritmi per la risoluzione delle equazioni);
- Formulazione delle condizioni al contorno, cioè la specificazione delle proprietà del fluido nel dominio di calcolo. Per problemi dipendenti dal tempo devono essere specificate le condizioni iniziali;
- Risoluzione delle equazioni in maniera iterativa;
- Visualizzazione dei risultati con un post-processore;
- Analisi dei risultati.
Studiare la fluidodinamica: corsi di laurea Unicusano
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La figura di ingegnere meccanica che vogliamo costruire nel corso di laurea magistrale è quella di un tecnico in grado di affrontare problemi nell’ambito dell’innovazione e dello sviluppo della produzione industriale, della progettazione avanzata, della gestione, della manutenzione, dell’installazione, del collaudo e dell’esercizio di sistemi e impianti semplici o complessi nell’ambito dell’industria manifatturiera in generale e meccanica in particolare, aziende ed enti per la conversione dell’energia, imprese impiantistiche.
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