CINEMATICA Esperienza di Osborne Reynolds (1842-1912) Per basse velocità: moto per filetti • viscoso • laminare Al crescere velocità: moto di transizione V V d Per elevate velocità: moto turbolento V d d CINEMATICA Per definire il REGIME di moto si individua il: Numero indice di Reynolds (adimensionale) Re V d V d V d = Re è inteso anche come: dove: V = velocità media [ V ] = m.s-1 = densità [ ] = kg/m3 d = dimensione caratteristica del moto [ d ] = m = viscosità dinamica [ ] = Nm-2.s Re = energia cinetica per unità di volume sforzo viscoso REGIME di moto Moto laminare: Re < 2500 Moto di transizione: 2500 < Re < 3000 Moto turbolento: Re > 3000 CINEMATICA La cinematica studia il campo di moto (velocità, traiettoria), mediante due possibili approcci: 1. Metodo Lagrangiano: - si fissa l’attenzione sulla singola particella e si segue il suo percorso nel tempo; - si determina la velocità della particella riferita al suo baricentro - sistema di riferimento è solidale con la particella z0 z P0 y0 y P = P (P0 ,t) x0 x CINEMATICA 2. Metodo Euleriano: - si fissa l’attenzione su una posizione nel campo di moto, attraverso la quale passano le particelle, e si osserva ciò che accade in quella posizione nel tempo - sistema di riferimento (x,y,z) è fisso V = V (P ,t) = V (x, y, z,t) = V (x t , y t , z t ,t) PRINCIPALI GRANDEZZE LINEARI DELLA CINEMATICA Traiettoria: linea luogo geometrico dei punti che una particella, istante dopo istante, va ad occupare. Fa riferimento al punto di vista lagrangiano Linea di corrente o di flusso: luogo geometrico dei punti nei quali, in un determinato istante temporale, la velocità è tangente Linea di fumo: luogo geometrico dei punti occupati da particelle che, in un determinato istante precedente, sono passate per un punto fisso dello spazio Tubo di flusso: inviluppo di linee di flusso passanti per una linea chiusa in ogni punto della superficie del tubo di flusso la velocità è tangente n V DEF: dQ V ndA dQ VndA n V Q V n dA A V m e d ia m3 Q s Q 1 A A V A n dA Portata elementare Portata del tubo flusso Velocità media del tubo flusso Tipi di moto Moto vario V V ( x, y, z, t) e traiettoria linea di corrente Moto permanente e traiettoria linea di corrente V V ( x, y, z) Moto uniforme V c o s ta n te e traiettoria linea di corrente Accelerazione V V [ x ( t ), y ( t ), z ( t ), t ] Sia il vettore velocità: Regola di derivazione Euleriana V V V dV dt dx dy t x y d V V V dx V A dt t x dt y u V dz z dy V dz dt z dt v dV V V V V A u v w dt t x y z Derivata totale Derivata locale Derivata convettiva w EQUAZIONE DI CONTINUITÀ IN FORMA INDEFINITA Sia la velocità: V ui v j wk Nell’unità di tempo: u dydz Massa entrante u dx dydz u x Massa uscente kg m 2 m essendo: u dydz m3 s e quindi moltiplicando per dt si ottiene la massa entrante/uscente nel tempo dt . La differenza tra la massa uscente e quella entrante nel tempo dt è pari a: u x dx dydzdt se consideriamo le due facce di normale x e analogamente si ottiene se valutiamo le coppie di facce normali a y e z. La variazione nel tempo dt della massa all’interno del volumetto è: dm dxdydzdt t La variazione della massa all’interno del volumetto nel tempo dt deve uguagliare la differenza tra massa entrante nel volumetto e massa uscente nello stesso tempo dt u v w y z t x u v w 0 t x y z div V 0 t Equazione di continuità in forma indefinita (per fluido comprimibile) Se fluido incomprimibile, cioè = cost Allora si ha: divV 0 Equazione di continuità in forma indefinita per fluido incomprimibile EQUAZIONE DI CONTINUITÀ IN FORMA GLOBALE Massa entrante V n Massa uscente W A n Integriamo l’eq. indefinita di continuità sull’intero volume, cioè: W Dopo alcuni passaggi: t div V dW 0 A V ndA W dW t Equazione globale di continuità (per i fluidi comprimibili) EQUAZIONE DI CONTINUITÀ IN FORMA GLOBALE Se fluido incomprimibile, cioè = cost, si ha: A V n dA Alat n V Ae V n Ae V n dA A Au V ndA 0 V n dA 0 n V Au Qe Qu Equazione globale di continuità per i fluidi incomprimibili EQUAZIONE DI CONTINUITÀ PER UNA CORRENTE Se applichiamo stesso procedimento ad una corrente, alla fine si ottiene: ( Q ) ( A) 0 s t Equazione indefinita di continuità applicata ad una corrente Se fluido incomprimibile, cioè = cost, ed inoltre A = cost nel tempo Q 0 s Q cost lungo s, ovvero: Qe=Qu