Ingegneria aeronautica - Aeronautical engineering

Gli allievi che intendono frequentare il corso di turbolenza hanno già acquisito dai corsi di base le conoscenze fondamentali sulle leggi che governano il moto dei fluidi, descritte dalle equazione di Navier-Stokes. Tuttavia i flussi che si incontrano nelle applicazioni della fluidodinamica, aerodinamica e gasdinamica di interesse per l’aeronautica e per l’aerospazio sono enormemente più complessi di quelli elementari che gli allievi hanno imparato a conoscere. Come conseguenza, le conoscenze acquisite, certamente di grande valore per la formazione preliminare, posseggono un ben scarso interesse per la comprensione dei fenomeni fisici da sfruttare/ottimizzare nella progettazione aerodinamica. L’allievo si trova nelle condizioni degli studiosi di fine diciannovesimo secolo: conoscevano il modello matematico corretto da cui però non riuscivano ad estrarre informazioni con valore predittivo (per citare esempi noti ai più, si ricorderà il paradosso di D’Alembert, ma anche come il flusso in un canale di irrigazione abbia ben poco in comune con la soluzione di Poiseuille che tutti conosciamo e tantomeno con il comportamento di uno strato limite realistico). In modo errato, nel gergo corrente talvolta si parla ancora di fluido turbulento, retaggio del fatto che la turbolenza era vista come qualcosa di diverso dal flusso di un fluido “ordinario”. Nei fatti, TUTTI i flussi di interesse pratico, esclusi quelli che facciamo riferimento alla microfuidica e alla nanofluidica, sono turbolenti (ad esempio, il flusso in una stanza, in cui l’aria è percepita come ferma, è turbolento. Se non lo fosse gli odori si diffonderebbero con scale temporali delle ore, rispetto ai secondi con cui arriviamo a percepire le sensazioni odorose). La difficoltà è che la turbolenza è l’unico problema fondamentale di fisica classica sopravvissuto alla rivoluzione scientifica della prima metà del ventesimo secolo. Tutti gli altri, nessuno escluso, sono da considerarsi perfettamente risolti, almeno a livello fondamentale. In questo contesto, in senso generale, l’obiettivo del corso di turbolenza consiste nel traghettare l’allievo da una conoscenza elementare verso una visione già completa e sofisticata che possa avere diretta applicazione nella progettazione. Per far questo è necessario portarlo alla chiara comprensione dei meccanismi fondamentali della turbolenza in flussi liberi (ad esempio getti) e di parete (ad esempio strati limite). La turbolenza è un processo stocastico governato da equazioni deterministiche. Per descriverla è necessario il linguaggio della probabilità applicato al sistema delle equazioni di Navier- Stokes, certamente il sistema di equazioni più complesso e difficile tra quelli di largo interesse per le applicazioni. Primo obiettivo del corso è dunque introdurre il linguaggio appropriato per descrivere il comportamento di campi di moto turbolento, che hanno natura stocastica. Si tratta dunque di sviluppare gli strumenti di probabilità e statistica per la descrizione di campi stocastici governati da equazioni deterministiche e non deterministiche. Gli allievi vengono fatti familiarizzare con il concetto di processo stocastico e con gli strumenti fondamentali per analizzarne le proprietà statistiche. Una volta compreso e padroneggiato il linguaggio, verranno forniti all’allievo gli strumenti per comprendere e calcolare i più comuni flussi turbolenti, quali flussi in prossimità di parenti (strati limite, ad esempio), e flussi liberi (ad esempio getti). Verrà dedicato tempo a capire i meccanismi universali che regolano la turbolenza sviluppata, analizzando il modello della turbolenza omogenea ed isotropa. In questo contesto l’obiettivo consiste nel portare l’allievo alla chiara comprensione dei meccanismi fondamentali della turbolenza, come il trasporto turbolento alla base, ad esempio, della enormemente accresciuta capacità di mescolamento o di trasporto di calore e, di particolare interesse per l’aerodinamica, l’accresciuta resistenza al moto tipica della turbolenza. Il passo successivo è far padroneggiare all’allievo i modelli di calcolo per i flussi turbolenti con modelli predittivi e semi-predittivi, quali quelli utilizzati comunemente nella progettazione. Per fare questo vengono fornite le basi per le moderne tecniche di simulazione numerica di flussi turbolenti, che spaziano dalla simulazione diretta, alle soluzione delle equazione mediate, introducendo il concetto di modellizzazione delle cosiddette grandi scale scale del flusso, che corrispondono alle tre categorie di tecniche note con acronimo inglese come DNS, RANS e LES., rispettivamente. Lo scopo è fornire una conoscenza critica dei vari modelli di turbolenza disponibili per la progettazione aerodinamica e fluidodinamica in genere fornendo la capacità di selezionare l’approccio più adatto per risolvere uno specifico problema. In molti casi è importare analizzare come la turbolenza si sviluppa in una determinata geometria. E’ quindi importante comprendere i parametri che controllano la stabilità di un flusso laminare e i meccanismi che portano alla transizione alla turbolenza, con l’obiettivo, ad esempio, di ritardarne lo sviluppo. Si affronteranno infine alcuni aspetti complementari, come ad esempio la descrizione dei meccanismi di produzione di rumore da turbolenza. In conclusione, globalmente, l’obiettivo del corso è di portare l’allievo da una conoscenza sostanzialmente scolastica del moto dei fluidi alla competenza avanzata richiesta per l’analisi e la modellizzazione dei flussi reali.