Ingegneria Energetica - Energy Engineering

ALESSANDRO TASSONE

Dopo aver completato con successo il corso, lo studente acquisirà le seguenti competenze:

1. Comprendere i fenomeni termo-idraulici specifici associati ai metalli liquidi, rilevanti per le applicazioni industriali

2. Eseguire calcoli ingegneristici approssimativi (perdita di carico, coefficiente di scambio termico, ecc.) per flussi di metalli liquidi in vari problemi prototipici

3. Caratterizzare e valutare criticamente le prestazioni termiche di un componente a metallo liquido in un sistema di ingegneria energetica

4. Eseguire simulazioni di fluidodinamica computazionale a supporto della progettazione di un componente a metallo liquido

Sono richieste conoscenze pregresse di elettromagnetismo, meccanica dei fluidi e trasmissione del calore a livello di laurea triennale. Materiale didattico integrativo potrà essere fornito a discrezione dei docenti. Una precedente familiarità con gli strumenti di fluidodinamica computazionale, in generale, e con OpenFOAM in particolare, è preferibile, ma non è richiesta all'inizio del corso. La familiarità di base con il terminale di comando nei sistemi operativi basati su Unix (Ubuntu, RedHat, CentOS, ecc.) è un plus, ma si avrà tempo per familiarizzare durante il corso.

Si prega di notare che il programma del corso elencato di seguito deve essere considerato come una tabella di marcia, piuttosto che un programma rigido. Data la natura "pratica" del laboratorio, ci impegneremo a ridurre al minimo la presentazione frontale del materiale didattico a favore di attività volte a operare su questi concetti. L'obiettivo è sviluppare e perfezionare gli strumenti da applicare durante il progetto finale. Inoltre, a seconda del progetto selezionato per ciascuna iterazione del corso, non tutto il materiale potrebbe essere coperto.

1. Fondamenti di termoidraulica dei metalli liquidi : applicazioni industriali dei metalli liquidi, proprietà termofisiche. Equazione di conservazione della massa, flusso incomprimibile. Equazioni di Navier-Stokes, fluido newtoniano. Equazione di conservazione dell'energia.
2. Introduzione alla fluidodinamica computazionale (CFD) e alla discretizzazione nel metodo dei volumi finiti (FVM) : come funziona la CFD e la CFD in sintesi, visione globale della discretizzazione, FVM, come applicare FVM: il caso di un dissipatore di calore.
3. Meccanica dei fluidi in condizioni ordinarie (OHD) e magnetoidrodinamiche (MHD) : parametri che governano l'OHD, strato limite laminare, perdita di pressione in condizioni OHD, da OHD a MHD, parametri che governano l'MHD, strato limite MHD, flussi MHD laminari in canali rettangolari e circolari, stima della perdita di pressione in condizioni MHD
4. Accoppiamento pressione-velocità per flussi incomprimibili : algoritmi SIMPLE, PISO e PIMPLE, risolutori segregati e monolitici.
5. Uno sguardo più approfondito a due risolutori OpenFOAM : introduzione a OpenFOAM, pimpleFoam: una guida su un risolutore turbolento transitorio, phimpleFoam: risolutore multifisico per applicazioni MHD.
6. Le tue prime simulazioni OpenFOAM : flussi laminari OHD e MHD in configurazioni prototipiche. Presentazione del progetto finale .
7. Introduzione alla turbolenza e alla modellazione della turbolenza in OpenFOAM: instabilità e transizione, stretching dei vortici e cascata di energia, decomposizione di Reynolds ed equazioni del flusso medio, modelli di viscosità turbolenta, altri approcci di modellazione. Simulazione di flussi turbolenti.
8. Scambio termico nei metalli liquidi: scambio termico laminare in condizioni OHD e MHD. Limitazioni dell'analogia di Reynolds per lo scambio termico turbolento in fluidi a basso numero di Prandtl, numero di Prandtl turbolento, previsione del flusso termico turbolento oltre l'analogia di Reynolds. Effetto del campo magnetico su turbolenza e transizione. Scambio termico turbolento MHD.
9. Revisione della tua prima simulazione OpenFOAM ... ora con trasferimento di calore!
10. Progetto finale n. 1 : definizione del problema fisico e schizzo del modello matematico. Identificazione delle quantità di progetto e calcoli preliminari approssimativi.
11. Progetto finale n. 2 : definizione delle condizioni al contorno e iniziali per il modello numerico. Implementazione del modello numerico. Matrice di test per l'indipendenza della mesh e analisi di convergenza.
12. Progetto finale n. 3 : discussione aperta dei risultati numerici preliminari dettagliati.

Non esiste un libro di testo completo che copra il materiale didattico discusso in questo corso. I seguenti sono suggerimenti volti ad ampliare e integrare quanto presente nelle dispense distribuite dai docenti tramite il sito web del corso, raggiungibile al seguente link: https://elearning.uniroma1.it/course/view.php?id=13385 . Gli elementi fondamentali della termoidraulica dei metalli liquidi sono trattati nel Capitolo 10 del manuale NEA sul piombo e leghe di piombo. Questa risorsa può essere scaricata gratuitamente dalla seguente pagina web: https://inis.iaea.org/ records/m5n7f-ehr11 . Questa risorsa copre la maggior parte del materiale discusso nella sezione del corso "Teoria e fenomenologia" e, in quanto tale, costituisce il riferimento più importante.
Per il lettore interessato, una discussione più approfondita con particolare attenzione alle applicazioni del metallo liquido nei reattori a fissione nucleare può essere trovata su: Roelofs, Ferry, ed. Thermal Hydraulics Aspects of Liquid Metal Cooled Nuclear Reactors. Woodhead Publishing, 2018, https://doi.org/10.1016/C2016-0-01216-0.
Per quanto riguarda gli aspetti teorici della magneto-termo-idraulica a metallo liquido, rilevanti per le applicazioni nei reattori a fusione a confinamento magnetico e nelle batterie a metallo liquido, si può fare riferimento al seguente libro di testo: Müller, Ulrich, e Bühler, Leo. Magnetofluiddynamics in Channels and Containers. Springer Berlin, Heidelberg, 2001. Indice.
Per la sezione di modellazione numerica del corso, si consiglia il seguente testo: Moukalled, Fadl, Mangani, Luca e Darwish, Marwan. The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction with OpenFOAM® and Matlab, Springer Cham, 2016. Indice

Non esiste un libro di testo completo che copra il materiale didattico discusso in questo corso. I seguenti sono suggerimenti volti ad ampliare e integrare quanto presente nelle dispense distribuite dai docenti tramite il sito web del corso, raggiungibile al seguente link: https://elearning.uniroma1.it/course/view.php?id=13385 . Gli elementi fondamentali della termoidraulica dei metalli liquidi sono trattati nel Capitolo 10 del manuale NEA sul piombo e leghe di piombo. Questa risorsa può essere scaricata gratuitamente dalla seguente pagina web: https://inis.iaea.org/ records/m5n7f-ehr11 . Questa risorsa copre la maggior parte del materiale discusso nella sezione del corso "Teoria e fenomenologia" e, in quanto tale, costituisce il riferimento più importante.
Per il lettore interessato, una discussione più approfondita con particolare attenzione alle applicazioni del metallo liquido nei reattori a fissione nucleare può essere trovata su: Roelofs, Ferry, ed. Thermal Hydraulics Aspects of Liquid Metal Cooled Nuclear Reactors. Woodhead Publishing, 2018, https://doi.org/10.1016/C2016-0-01216-0.
Per quanto riguarda gli aspetti teorici della magneto-termo-idraulica a metallo liquido, rilevanti per le applicazioni nei reattori a fusione a confinamento magnetico e nelle batterie a metallo liquido, si può fare riferimento al seguente libro di testo: Müller, Ulrich, e Bühler, Leo. Magnetofluiddynamics in Channels and Containers. Springer Berlin, Heidelberg, 2001. Indice.
Per la sezione di modellazione numerica del corso, si consiglia il seguente testo: Moukalled, Fadl, Mangani, Luca e Darwish, Marwan. The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction with OpenFOAM® and Matlab, Springer Cham, 2016. Indice

Le lezioni si svolgono in italiano o in inglese, a seconda del pubblico. Il materiale didattico è fornito esclusivamente in inglese. Un'ora di ricevimento settimanale, comunicata all'inizio del corso, è riservata a colloqui privati con gli studenti. Dopo aver completato con successo il corso, lo studente acquisirà le seguenti competenze:
• Comprensione dei fenomeni termoidraulici specifici associati ai metalli liquidi rilevanti per le applicazioni industriali
• Esecuzione di calcoli ingegneristici approssimativi (caduta di pressione, coefficiente di trasferimento di calore, ecc.) per flussi di metallo liquido in vari problemi prototipici
• Essere in grado di caratterizzare e valutare criticamente le prestazioni termiche di un componente in metallo liquido in un sistema di ingegneria energetica
• Essere in grado di eseguire simulazioni fluidodinamiche computazionali per supportare la progettazione di un componente in metallo liquido
Il corso si articola in 15 ore di lezioni frontali e 15 ore di laboratorio, per un totale di 30 ore di lezione frontale e, pertanto, al termine del corso rilascia 3 ETCS/CFU.

Il corso si svolge in presenza secondo il calendario ufficiale pubblicato dall'Università. Le lezioni vengono generalmente registrate (a seconda dello stato delle attrezzature in aula) e poi distribuite tramite il sito web del corso. Le trascrizioni possono essere rilasciate su richiesta. È richiesta la frequenza minima al 75% delle lezioni erogate per poter conseguire un voto sufficiente.

L'idoneità viene assegnata dopo la presentazione del progetto finale dello studente. Si prega di notare che, trattandosi di un progetto AAF, il voto non è espresso in numeri, ma solo con un "GO/No-GO". Il progetto dello studente è dedicato alla progettazione di un componente industriale funzionante con metalli liquidi tra quelli trattati nel materiale del corso. Il carico di lavoro stimato per il completamento del progetto è di circa una settimana. La valutazione del progetto è individuale, ma è incoraggiata la collaborazione tra gli studenti.
Una breve presentazione ( circa 10 minuti) dovrà essere preparata dallo studente per riassumere la metodologia e i risultati del progetto. L'esame consisterà nella presentazione e discussione di tale presentazione ( circa 10 minuti di domande e risposte sul progetto e sul materiale del corso). La presentazione dovrà essere condivisa con il docente entro e non oltre una settimana dalla data prevista per l'esame. La data può essere fissata via email entro una qualsiasi delle sessioni d'esame consentite e almeno una settimana prima della data desiderata.

Di seguito sono riportati alcuni esempi di possibili progetti finali del corso. I progetti effettivi del corso possono variare a seconda delle circostanze esterne:
1. Generatore di vapore elicoidale a passaggio unico per reattori a fissione e fusione: flusso incrociato esterno eutettico piombo-bismuto su fasci di barre.
2. Tubo ricevitore per energia solare concentrata: flusso interno di sodio fuso in tubi circolari.
3. Primo sistema di raffreddamento a parete per reattori a fusione magnetica: flusso MHD interno di litio liquido in condotti quadrati.
4. Scambiatore di calore compatto in metallo liquido: trasferimento di calore laminare in lega di gallio nei flussi interni.
5. Termoidraulica della piscina del reattore veloce raffreddata a piombo: convezione naturale esterna innescata da un ostacolo quadrato riscaldato interno.

Di seguito sono riportati alcuni esempi di possibili progetti finali del corso. I progetti effettivi del corso possono variare a seconda delle circostanze esterne:
1. Generatore di vapore elicoidale a passaggio unico per reattori a fissione e fusione: flusso incrociato esterno eutettico piombo-bismuto su fasci di barre.
2. Tubo ricevitore per energia solare concentrata: flusso interno di sodio fuso in tubi circolari.
3. Primo sistema di raffreddamento a parete per reattori a fusione magnetica: flusso MHD interno di litio liquido in condotti quadrati.
4. Scambiatore di calore compatto in metallo liquido: trasferimento di calore laminare in lega di gallio nei flussi interni.
5. Termoidraulica della piscina del reattore veloce raffreddata a piombo: convezione naturale esterna innescata da un ostacolo quadrato riscaldato interno.

• Fondamenti di termoidraulica dei metalli liquidi 


• Introduzione alla fluidodinamica computazionale (CFD) e alla discretizzazione nel metodo dei volumi finiti (FVM)


• Meccanica dei fluidi in condizioni ordinarie (OHD) e magnetoidrodinamiche (MHD)


• Accoppiamento pressione-velocità per flussi incomprimibili


• Uno sguardo più approfondito a due risolutori OpenFOAM


• Le tue prime simulazioni OpenFOAM


• Introduzione alla turbolenza e alla modellazione della turbolenza in OpenFOAM


• Scambio termico nei metalli liquidi


• Revisione della tua prima simulazione OpenFOAM ... ora con trasferimento di calore!


• Capstone project