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Meccanica dei Fluidi II
Politecnico di Milano D.I.I.A.R - sezione Ingegneria Idraulica Note degli insegnamenti di: Meccanica dei Fluidi II Corso di Studi in Ingegneria Meccanica - IV Facoltà di Ingegneria Flusso attorno a corpi immersi Strato Limite: principali caratteristiche ed effetti ⇒ Caratteristiche generali di flussi esterni ⇒ Concetti di LIFT e DRAG ⇒ Strato limite tra superfici infinite ⇒ Sviluppo dello strato limite ⇒ Lamina piana ⇒ Cilindro circolare ⇒ Legami funzionali dei coefficienti di forza ⇒ Dipendenza dalla forma ⇒ Dipendenza da Re ⇒ Dipendenza da Ma ⇒Dipendenza da Fr ⇒Dipendenza da ε / l Testo di riferimento: “Fundamental of Fluid Mechanics” Munson, Yung and Okiishi 1994 2nd Ed. by John Wiley & Sons Inc. -Chapter 9 – Meccanica dei Fluidi McGraw-Hill Cozzo, Santoro Cap.10 e 11 1 Flusso attorno a corpi immersi L’oggetto è completamente circondato da fluido ⇒ flussi esterni Interessano: campo di moto fluido e forze esercitate dal fluido Esempi: 1. aeroplano in volo 2. sommergibile 3. navi (circondate da due fluidi: aria e acqua) 4. automobile, bicicletta (Lift e Drag esercitati su tali corpi) 5. progettazione corretta di edifici in presenza di vento Approcci di studio: teorici (analitici e numerici) e sperimentali forze esercitate dal fluido 2 campo di moto fluido campo di moto fluido e forze esercitate dal fluido Study of sediment motion in a local scour hole through an image processing technique Malavasi S., Radice A., Ballio F. River Flow, Napoli (Italy) June 23-25 2004 Torrente Scrivia - Busalla (GE) estate 1994 3 campo di moto fluido e forze esercitate dal fluido Tacoma Narrows Bridge (1940) Caratteristiche generali di flussi esterni ¾ È solitamente più comodo utilizzare un sistema di riferimento solidale con il corpo in movimento e trattare il problema come fluido che fluisce attorno ad un corpo in quiete con velocità U. ¾ Per i nostri scopi adotteremo l’ipotesi che U sia uniforme. ¾ La struttura di un flusso esterno e la facilità con cui questo può essere descritto ed analizzato dipende spesso dalla natura del corpo immerso Æ corpi affusolati / tozzi. (a) Cilindro indefinito campo di moto 2-D (b) assialsimmetrico (c) 3-D 4 Concetti di LIFT e DRAG Interazione tra corpo e fluido ⇒ sforzi tangenziali (τ) e normali (p) sforzi di pressione Effetti integrali degli sforzi: sforzi tangenziali DRAG (D) forza risultante nella direzione della velocità U LIFT (L) forza risultante in direzione normale alla velocità U Forze risultanti Caso 3-D forza normale al piano che contiene D e L Concetti di LIFT e DRAG – 2/2 Componenti lungo (x, y) della forza sull’elemento di superficie dA: y U p dA dFx = (p dA) cos ϑ + (τ dA) sin ϑ dFy = -(p dA) sin ϑ + (t dA) cos ϑ τ dA Componenti della forza totale lungo (x, y) dA D = ∫ dFx = ∫ p cos ϑ dA + ∫ τ sin ϑ dA ϑ x L = ∫ dFy = − ∫ p sin ϑ dA + ∫ τ cos ϑ dA Per eseguire l’integrazione è necessario: - forma (geometria) del corpo (ϑ(x, y) lungo la superficie) - distribuzione di τ e p lungo la superficie di contorno Componente dovuta alla distribuzione di pressione La pressione può essere misurata abbastanza facilmente (celle di pressione lungo la superficie del corpo) Misure di sforzi tangenziali τ sono di più complessa esecuzione Componente dovuta alla distribuzione di sforzi tangenziali (attrito) 5 Concetti di LIFT e DRAG – Esempi Lastra piana parallela alla direzione del flusso di monte : y p = p(x) = 0 (spessore trascurabile) U p=0 x Lift = − ∫ p dA + ∫ p dA = 0 Asup Ainf Drag = ∫ τ dA + ∫ τ dA = 2 ∫ τ dA Asup Ainf Asup Concetti di LIFT e DRAG – Esempi Lastra piana normale alla direzione del flusso di monte: ⎡ y2 ⎤ p = a ⎢1 − ⎥ b ⎥⎦ ⎣⎢ U p=0 Lift = ∫ τ dA − ∫ τ dA = 0 A front Aback y (spessore trascurabile) p=−c x τ(y) = −τ(−y) Drag = ∫ p dA − ∫ p dA A front Aback 6 Determinazione i Drag e Lift Misura / calcolo del campo fluido-dinamico D = ∫ dFx = ∫ p cos ϑ dA + ∫ τ sin ϑ dA L = ∫ dFy = − ∫ p sin ϑ dA + ∫ τ cos ϑ dA Misura diretta di forza Misura p e (τ) Coefficienti di Forza Adimensionali CD, CL, CM Coefficienti di LIFT e DRAG Noti i coefficienti di Lift e Drag di un corpo le forze che insistono sullo stesso si possono ricavare come : 1 CL ρ U 2 A 2 1 D = CD ρ U 2 A 2 L= Coefficienti di Lift e Drag: numeri adimensionali da determinare mediante (a) prove di laboratorio (galleria del vento/ canale idraulico), (b) analisi semplificate, (c) metodi numerici. Coefficiente di Lift CL = L 1 ρU 2 A 2 Coefficiente di Drag CD = D 1 ρU 2 A 2 A è un’area caratteristica dell’oggetto ⇒ tipicamente, l’area frontale N.B.: è importante definire quale area si utilizza nella definizione di CD e CL 7 Legami funzionali dei coefficienti di forza CL = f (forma, Re, Ma, Fr, ε/l, …) CD = f (forma, Re, Ma, Fr, ε/l, …) forma = caratteristiche geometriche dell’oggetto immerso Re = numero di Reynolds (riferito ad una dimensione caratteristica dell’oggetto) Ma = numero di Mach (rapporto tra la velocità del fluido e quella del suono nel fluido considerato) Fr = numero di Froude (riferito ad una dimensione caratteristica del problema) ε/l = scabrezza adimensionale Per motivare queste dipendenze funzionali è necessario considerare la struttura del campo fluidodinamico ed introdurre il concetto di STRATO LIMITE Profilo di velocità ÅÆ Strato limite superfici infinite Moto di un fluido tra due superfici piane, parallele e infinite. Moto Laminare y h Q x La distribuzione di velocità dipende principalmente dal Numero di Reynolds della corrente Moto Turbolento Q h y x i1 8 Profilo di velocità ÅÆ Strato limite superfici infinite x u(y) y δ →Spessore dello strato limite Definizione di strato limite u(y) = 0.99*U = u(δ) Prandtl (1875 – 1953): regione prossima alla superficie del corpo all’interno della quale gli effetti viscosi sono importanti U Q U u(y) = 0.99*U = u(δ) δ →Spessore dello strato limite y u(y) x Nota: All’esterno dello strato limite il fluido si comporta essenzialmente come ideale. Ovviamente, la viscosità è sempre la stessa, ma all’interno dello strato limite vi sono alti gradienti di velocità Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme - Spessore di spostamento, δ* (a) μ=0 y U U (b) u=U u = 0.99 U (δ = y per cui u = 0.99 U sembra arbitrario) δ μ≠0 u = u(y) Aree uguali δ∗ U-u (a) (b) A causa del deficit di velocità, U – u, nello strato limite, la portata attraverso la sezione (b-b) è minore di quella attraverso (a-a). Comunque, se solleviamo la piastra di una appropriata quantità δ* le portate attraverso le due sezioni sono uguali. ∞ ∞ δ * bU = ∫ b (U − u ) dy 0 ⎡ u⎤ δ* = ∫ ⎢1 − ⎥ dy U⎦ 0⎣ Lo spessore di spostamento, δ*, rappresenta la quantità di cui si dovrebbe aumentare lo spessore della lastra affinché il flusso ideale uniforme abbia la stessa portata dell’effettivo flusso viscoso. 9 Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme - Spessore della quantità di moto, Θ y (a) U U μ=0 u=U (b) u = 0.99 U δ μ≠0 u = u(y) Aree uguali δ∗ U-u (a) (b) A causa del deficit di velocità, U – u, il flusso di quantità di moto attraverso la sezione (b-b) è minore di quello attraverso (a-a). Il deficit del flusso di quantità di moto nello strato limite è ∞ ∫ ρu (U − u ) dA = ρb ∫ u (U − u ) dy 0 che, è il flusso di quantità di moto in uno strato di spessore Θ e velocità uniforme U in cui Θ è dato da ∞ ∞ ρbU 2 Θ = ρb ∫ u (U − u ) dy 0 Θ= u⎡ u⎤ ∫ U ⎢⎣1 − U ⎥⎦ dy 0 Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme – Struttura del campo di moto Spessore dello strato limite: δ = y per cui u = 0.99 U Rex= U x / ν No. di Reynolds della piastra (di spessore zero) Consideriamo la deformazione una particella ¾All’esterno, una particella rettangolare rimane tale (il fluido si comporta come ideale) ¾La particella che entra nello strato limite iniza a deformarsi a causa dei gradienti di velocità (la velocità in alto è maggiore della velocità in basso) ¾Dopo una certa distanza dall’inizio della lastra, lo strato limite diviene turbolento e la particella iniza a subire distorsioni. Transizione tra flusso laminare e turbolento all’interno dello strato limite avviene per Rexcr ≈ 2 E+5 – 2 E+6. 10 Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme - Equazione integrale dei flussi di quantità di moto y Linea di corrente U U δ(x) h u x τ(x) (1) Hp:pressione costante in tutto il campo di moto (ad es. in aria) (2) Obiettivo: det. della forza esercitata dagli sforzi tangenziali sul corpo 9 Integrazione diretta equazioni differenziali 9 Approccio integrale ∑ Fx = ρ ∫ u v ⋅ n dA + ρ ∫ u v ⋅ n dA In direzione x (1) ( 2) ∑ Fx = − D = − ∫ τ dA = −b ∫ τ dx se b = larghezza ( A) (lastra ) D = Drag che la lastra esercita sul fluido NB: La forza netta causata dalla distribuzione uniforme di pressione non contribuisce al drag Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme y Linea di corrente U Dal momento che la lastra è solida (contorno impermeabile) e la parte superiore del volume di controllo è una linea di corrente − D = ρ ∫ U (−U ) dA + ρ ∫ u 2 dA (1) U δ(x) h x τ(x) (1) u (2) δ D = ρU 2bh − ρb ∫ u 2 dy ( 2) 0 δ Uh = ∫ u dy h è incognito, ma, per conservazione della massa deve essere sostituendo nell’espressione di D δ δ D = ρUb ∫ u dy − ρb ∫ u 2 dy 0 0 0 δ D = ρb ∫ u (U − u ) dy = ρbU 2 Θ 0 Si ottiene quindi il drag in termini di deficit del flusso di quantità di moto ∞ attraverso la superficie di uscita del volume di controllo u ⎡ u⎤ e quindi funzione del profilo di velocità Æ Θ= 1− dy ∫ U ⎢⎣ 0 U ⎥⎦ 11 Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme y Linea di corrente U Fluido non-viscoso ⇒ D ≡ 0 δ(x) h (perchè u = U; infatti τ = 0 quando μ = 0) D = ρbU 2 Θ dΘ dD = ρbU 2 dx dx dD = bτ dx dD = b τ dx (2) (valida sia per moto laminare che turbolento) differenziando rispetto ad x si ottiene la distribuzione di τ considerando che u x τ(x) (1) Utilizzando Θ si può scrivere: U τ = ρU 2 la conoscenza del profilo di velocità nello strato limite consente di risalire alla distribuzione di τ(x) dΘ dx Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme Esempio: determinare lo sforzo tangenziale associato al profilo di velocità assegnato Azioni tangenziali: y u=U τ = ρU 2 per y > δ dΘ dx δ u=Uy/δ Supponiamo di essere in condizioni laminari: per 0 ≤ y ≤ δ τ =μ Θ= ∞ u⎡ u⎤ δ u⎡ u⎤ δ y⎡ y⎤ ∂u ∂y =μ y =0 U δ δ ∫ U ⎢⎣1 − U ⎥⎦ dy = ∫ U ⎢⎣1 − U ⎥⎦ dy = ∫ δ ⎢⎣1 − δ ⎥⎦ dy = 6 0 0 0 (δ è funzione di x) Combinando le precedenti : μU ρU 2 dδ = 6 dx δ δ dδ = 6μ dx ρU Integrando tra x = 0 (δ = 0) e la generica ascissa x a cui lo spessore dello strato limite è δ δ 2 6μ = x 2 ρU δ = 3.46 νx U τ = 0.289 U 3 / 2 ρμ x 12 Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme In generale, se consideriamo un generico profilo di velocità (Y = y/δ) u = g (Y ) U u =1 U per 0 ≤ Y ≤ 1 per Y > 1 con le condizioni: g(0) = 0 e g(1) = 1 (dg/dY = 0, per Y = 1) δ 1 D = ρb ∫ u (U − u ) dy = ρbU δ ∫ g (Y )[1 − g (Y )] dY 2 0 0 1 D = ρbU 2 δ C1 con C1 = ∫ g (Y )[1 − g (Y )] dY Forza di Drag 0 τ=μ ∂u ∂y δ dδ = = y =0 μU dg μU = C2 δ dY Y = 0 δ μC2 dx ρUC1 (integrando) δ= con 2ν C 2 x UC1 C2 = dg dY Sforzo alla parete Y =0 2C2 / C1 δ = x Re x Spessore δ Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme In definitiva, le dipendenze funzionali di δ e τ dalle grandezze fisiche ρ, μ, U e x sono sempre le stesse. Le costanti variano in funzione del profilo di velocità assunto. δ Re1x / 2 δ ∝ ( μx / ρU ) 1/ 2 x Lineare: u/U=y/δ = const . Parabolico: u / U = 2y / δ − ( y / δ)2 Cubico: u / U = 3(y / δ)/2 − ( y / δ)3 / 2 τ ∝ (ρμU 3 / x )1 / 2 Sinusoidale: u / U = sin [π (y / δ)/2] (in cui Rex = ρ U x/μ) Per una lastra piana di lunghezza l e larghezza b, la forza di drag di attrito , D, può essere espressa in funzione del Coefficiente CDf l C Df = D 1 ρU 2bl 2 = b ∫ τ dx 0 1 ρU 2bl 2 = l 1/ 2 1 ⎡ 2C1C2μ ⎤ l 0∫ ⎢⎣ ρUx ⎥⎦ dx = 8C1C2 Rel in cui Rel = ρ U l/μ 13 Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme -Transizione da flusso laminare a turbolento ¾ Per lastre sufficientemente lunghe, ad un certo punto il moto nello strato limite diviene turbolento (il parametro che governa tale transizione è il Numero di Reynolds e Rex cresce) ¾ Rexcr è una funzione complessa di: scabrezza superficiale, curvatura della superficie (lastra o sfera), disturbi nella corrente esterna, ... ¾ Transizione tra flusso laminare e turbolento all’interno dello strato limite avviene per Rexcr ≈ 5×105. ¾ Transizione non limitata ad un punto, ma generalmente coinvolge un regione del corpo. ¾ Cambia il profilo di velocità nello strato limite Tipici profili di velocità su lastra piana Strato Limite su Lastra Piana Infinita in Flusso Uniforme - Strato limite turbolento ¾ Struttura molto complessa, random ed irregolare. Velocità non-stazionaria e varia in una maniera casuale. ¾ Non esiste soluzione esatta al problema dello strato limite turbolento (dal momento che non c’è una espressione precisa per τ turbolenti; τ = ρ u’v’ ) ¾ Soluzioni numeriche, integrazione diretta delle equazioni di Navier-Stokes ¾ Il coefficiente di drag, CDf, per una lastra piana di lunghezza l, è funzione del Numero di Reynolds, Rel, e della scabrezza relativa, ε/l 14 Strato Limite su corpi tozzi -Effetti del gradiente di pressione ¾ In generale, quando il flusso incontra un oggetto che non sia una lastra piana, il campo di pressione non è più uniforme. ¾ In generale, la pressione lungo la normale locale alla superficie ha gradienti trascurabili; al contrario, la pressione lungo la superficie del corpo varia significativamente se questo è curvo Esempio: flusso di fluido non-viscoso (μ = 0) attorno ad un cilindro indefinito Pressioni sulla superficie Velocità alla superficie Esempio: flusso di fluido viscoso (μ ≠0) attorno ad un cilindro indefinito ¾ Nel passaggio dal A a F la particella è soggetta alla medesima distribuzione di pressione della corrente ideale esterna, ma stavolta, a causa della viscosità, ci sono perdite di energia ⇒ la particella non ha energia sufficiente per vincere tutto il gradiente avverso di pressione e risalire sino al punto F sul retro dell’oggetto. ¾ A causa dell’attrito, una particella non riesce a viaggiare dal fronte al retro rimanendo attaccata al corpo. Esempio del ciclista che scende in una valle e poi tenta di risalire, pedalando. ¾ Il fluido avanza nella zona di gradiente avverso fin che può, poi si stacca dalla superficie (separazione). ¾ Alla localizzazione di separazione (profilo D) il gradiente di velocità alla parete è nullo (zero τ). Oltre tale punto, il flusso si inverte nello strato limite. 15 Influenza del n. di Reynolds e della forma del corpo sullo strato limite Lamina piana Re = U ⋅l ν l = lunghezza della lamina Re = 10 Re = 0.1 Re = 107 Cilindro circolare indefinito Re = U ⋅D ν D = diametro del cilindro Re = 50 Re = 0.1 Re = 10 5 Legami funzionali dei coefficienti di forza CL = f (forma, Re, Ma, Fr, ε/l, …) CD = f (forma, Re, Ma, Fr, ε/l, …) forma = caratteristiche geometriche dell’oggetto immerso 9 Re = numero di Reynolds (riferito ad una dimensione caratteristica dell’oggetto) 9 Ma = numero di Mach (rapporto tra la velocità del fluido e quella del suono nel fluido considerato) ? Fr = numero di Froude (riferito ad una dimensione caratteristica del problema) ? ε/l = scabrezza adimensionale 9 Nota: Di seguito si discutono i risultati sperimentali ottenuti relativi a CD ; analoghi studi sono presenti in letteratura anche per CL (ad esempio Munson et al. 1994) 16 Dipendenza di CD dalla forma – 1/2 U !!Attenzione alla def. di CD !! l/D = 0 D b >> l ,D l U l/D Æ ∞ Coefficiente di drag per un’ellisse con area caratteristica A = b D oppure A = b l ↑ l/D ⇒ ↓ CD i16 Dipendenza di CD dalla forma – 2/2 In figura: due oggetti di diverse dimensioni (in scala) e forma che soggetti alle stesse C.C. sviluppono la stessa forza di Drag 10 D A parità di diametro dei due corpi, la zona di scia a valle del corpo profilato è molto più ridotta, rispetto alla scia del cilindro i17 17 Dipendenza di CD dal Numero di Reynolds – 1/3 Re molto bassi (Re < 1) Effetti inerziali trascurabili ⇒ D = f (U, l, μ) Da considerazioni dimensionali ⇒ D = C μ l U In cui: C dipende dalla forma del corpo CD = D 1 ρU 2 l 2 2 = 2C Re Disco circolare normale al flusso U Disco circolare parallelo al flusso U Sfera Re = ρ U l / μ CD = 20.4 / Re d d U CD = 13.6 / Re d CD = 24.0 / Re i18 Dipendenza di CD dal Numero di Reynolds – 2/3 Corpi affusolati Corpi tozzi CD ∝ Re –1/2 CD ≈ costante (103 < Re < 105 in figura) CD in funzione di Re per cilindro circolare e sfera lisci CD varia bruscamente quando lo strato limite diventa turbolento 105 < Re < 106 i19 18 Dipendenza di CD dal Numero di Reynolds – 3/3 Corpi affusolati: CD cresce quando lo strato limite diviene turbolento ⇒ la maggior parte del drag è dovuta ad azioni tangenziali, che sono più alte in moto turbolento che in laminare. Corpi tozzi (cilindro, sfera, etc.): CD decresce quando lo strato limite diviene turbolento ⇒ lo strato limite può penetrare molto di più nella zona a gradiente avverso di pressione. Ne risulta una più sottile regione di scia a valle, con riduzione del drag di pressione Coefficiente di drag per corpi di diversa forma in funzione di Re i20 Dipendenza di CD dalla comprimibilità - All’aumentare della velocità del corpo, la comprimibilità del fluido non è più trascurabile - Bassi valori di Ma ⇒ comprimibilità poco importante - Alti valori di Ma ⇒ comprimibilità molto importante (solo effetti secondari di Re) Numero di Mach Esistenza di onde di shock per Ma vicino ad 1 Ma = U / c c: velocità del suono nel fluido i21 19 Dipendenza di CD dalla scabrezza superficiale - Entra in gioco quando il moto nello strato limite è turbolento - La Scabrezza altera gli sforzi tangenziali alla parete (τ) e Re a cui avviene la transizione - Corpi affusolati: il drag aumenta con la scabrezza superficiale (ali degli aereoplani il più liscie possibile) - Corpi tozzi (cilindro, sfera, etc.): un aumento della scabrezza superficiale può anche causare una diminuzione del drag. Andamento del CD di una SFERA con Re al variare della scabrezza relativa ε/D Esempio Pallina da golf: D = 4.3 cm, peso = 0.44 N, U = 60 m/s Pallina da ping pong: D = 3.8 cm, peso = 0.025 N, U = 20 m/s Determinare: Drag per la palla da golf liscia e scabra e per la palla da ping pong. Drag = ½ ρ U2 ¼ π D2 CD Palla da golf Re = ρUD/μ ≈ 1.8 × 105 Palla da ping pong Re = ρUD/μ ≈ 4.8 × 104 Palla da golf scabra: CD = 0.25 Palla da golf liscia: CD = 0.51 Palla da ping pong: CD = 0.50 Drag = 0.83 N Drag = 1.68 N Drag = 0.12 N i22 Dipendenza di CD dal numero di Froude Fr = U gl CDw = coefficiente di Drag riferito alla sola dipendenza di Froude (fenomeni di interazione con la superficie fluida); come è evidenziato in figura questo coefficiente è influenzato fortemente dalla forma. i23 20 L’istazionarietà intrinseca e non dell’interazione fluido-struttura Sources of excitation: EIE – exraneously iduced excitation IIE – Instability induced excitation EIE MIE – Movement induced excitation EOF – Excitation due to fluid oscillation MIE EOF IIE EIE – exraneously iduced excitation U = U (x, y, z, t) Æ u=u(x, y, z, t) ; v=v(x, y, z, t); w=w(x, y, z, t) analogamente per v e w u=um +u’ u U L=L(t) D=D(t) t D = Dm + D’ D L = Lm + L’ L t 21 IIE – Instability induced excitation Classificazione delle tipologie di scia in caso di corpi prismatici Leading-edge vortex shedding (LEVS) Impinging leading-edge vortex (ILEV) Sh=f0 D/V ↑ Trailing-edge vortex shedding (TEVS) Alternate-edge vortex (AEVS) 22