L’insegnamento di Aerodinamica rientra nell'ambito delle attività caratterizzanti del SSD ING-IND/06 Fluidodinamica della Laurea Magistrale in Ingegneria Aeronautica. Durante il corso vengono presentate le teorie classiche dell’aerodinamica accanto ad aspetti applicativi legati soprattutto alla modellistica della turbolenza ed alle applicazioni numeriche.
Gli argomenti trattati sono i seguenti:
Generalità su profili alari. Atmosfera standard. Flussi Potenziali 2D e 3D. Teorema di Green e metodi BEM. Metodo dei Pannelli.
Ala infinita: teoria di Glauert. Ala finita: teoria del filetto portante, cenni alla teoria della Superficie portante.
Strato limite: soluzioni simili (Falkner-Skan) e metodi integrali.
Cenni di teoria dei segnali. Classificazione dei segnali, segnali deterministici e caotici. Serie e trasformate di Fourier. Cenni di teoria della probabilità e statistica, funzioni di correlazione e spettri di potenza.
Turbolenza: equazioni generali e principali modelli, turbolenza omogenea e isotropa, cenni alla teoria di Kolmogorov, strato limite turbolento.
Elementi di fluidodinamica numerica: metodi di discretizzazione, principali metodi numerici (differenze finite, volumi finiti), simulazione numerica di flussi turbolenti, codici di calcolo industriali.

Il principale materiale didattico dell'insegnamento è costituito dalle dispense realizzate dal docente ed utilizzate durante le lezioni, reperibili dal sito del docente (link comunicato all’inizio del corso).
Ulteriori testi di supporto sono i seguenti:
- Anderson, Jr. J.D. , Fundamentals of Aerodynamics, 2nd Editino, McGraw Hill, 1991.
- Mattioli E. Aerodinamica, Levrotto e Bella, Torino, 1989.

Architettura dei velivoli: parti costituenti e loro ruolo.
Elementi di aerodinamica stazionaria dei velivoli ad ala fissa: diagramma della portanza, della resistenza e polare del velivolo; efficienza aerodinamica; ala finita.
Equazioni del moto del velivolo come punto materiale.
Prestazioni dei velivoli ad ala fissa: diagramma delle potenze, autonomie oraria e autonomia chilometrica; studio dei regimi di salita, quota di tangenza pratica e teorica.
Volo librato e odografa del moto.
Fattore di carico: virata corretta, richiamata e risposta alla raffica istantanea e graduale. Diagramma manovra, diagramma di raffica, inviluppo di volo.
Prestazioni al decollo e all’atterraggio.

Soluzione di equazioni non lineari: metodi iterativi; metodo di Newton-Raphson.
Metodi per la soluzione di sistemi di equazioni differenziali alle derivate ordinarie nel dominio del tempo: forma normale e soluzione mediante: (i) metodo degli autovettori, (ii) cambiamento di riferimento, (iii) integrazione con la funzione esponenziale di matrice.
Serie di Fourier, trasformata di Fourier, trasformata di Laplace, funzione di trasferimento, risposta impulsiva, indiciale, armonica.
Operatori lineari: autofunzioni e metodo delle autofunzioni per la soluzione di sistemi di equazioni differenziali alle derivate parziali.
Metodi di Galerkin e di Rayleigh-Ritz.
Calcolo delle variazioni: definizione di funzionale; equazioni di Eulero-Lagrange; condizioni di trasversalità; determinazione della equazione di Riccati per il controllo ottimo.

Mc Cormick, B.W., Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics. Wiley and Sons, 1995.
Hildebrand, F.B., Methods of Applied Mathematics. Dover Publications, NY, 1992.
Etkin, B., Dynamics of Flight-Stability and Control. John Wiley & Sons, Inc., 1996.

Durante le lezioni, il docente darà indicazioni su come utilizzare i citati riferimenti nella maniera più proficua e fornirà appunti delle lezioni.

AEROPLANO:
Equilibratura e stabilità statica del volo
Manovrabilità
Efficacia dei controlli
Equazioni generali del moto
Derivative di stabilità
Stabilità del volo
Risposta ai comandi
Controlli automatici di volo
ELICOTTERO:
Generalità
Controlli
Modelli di inflow
Prestazioni
Equazioni della dinamica dei rotori

C. Casarosa, "Meccanica del Volo", Pisa University Press
B. Etkin & L.D. Reid, "Dynamics of flight - Stability and Control", John Wiley and Sons
D. McLean, "Automatic Flight Control Systems", Prentice Hall
G. D. Padfield, "Helicopter Flight Dynamics", Blackwell Science
M. Arra, "L'elicottero", Biblioteca Tecnica Hoepli
G. Guglieri, M. Porta, A. Quinci, "Meccanica del volo dell'elicottero. Appunti delle lezioni", Esculapio

PARTE 1: ELEMENTI DI GASDINAMICA
Concetti Introduttivi; Richiami flussi compressibili isentropici; urti normali. Dimensionamento circuiti gasdinamici; Flussi alla Fanno e flussi alla Rayleigh; Urti obliqui, odografa degli urti. Interazione tra urti. Urti staccati. Espansione di Prandtl-Meyer. Flussi potenziali compressibili; teoria lineare, profili alari supersonici. Cenni al metodo delle caratteristiche: caso 2D, stazionario

PARTE 2: ELEMENTI DI MOTORI PER AEROMOBILI
Concetti introduttivi: Classificazione dei propulsori; introduzione alle prestazioni dei propulsori; definizione della Spinta e delle Potenze. Definizione ed espressione dei rendimenti. Parametri prestazionali dei propulsori. Richiami ciclo Turbogas ideale e Ciclo Turbogas reale. Turbogetto Semplice a punto fisso e in volo. Turbogetto con post-combustore. Turbofan a flussi separati ed associati. Turboelica. Ramjet. Cenni su eliche aeronautiche: teoria dell’elemento di pala. Prese dinamiche subsoniche e supersoniche. Ugelli propulsivi subsonici e supersonici.
Elementi di Stabilità di getti liberi.

ESERCITAZIONI PREVISTE
Esercitazione comportamento di un circuito gasdinamico (in laboratorio di calcolo). Esercitazione urti obliqui (in aula). Esercizi espansioni di Prandtl-Meyer e profili supersonici (in aula). Esercizi su: Turbogetto Semplice; Turbogetto con post-combustione; turbo fan a flussi separati e associati. Prese dinamiche e Ugelli propulsivi (in aula).

Il principale materiale didattico dell'insegnamento è costituito dalle dispense realizzate dal docente ed utilizzate durante le lezioni, reperibili dal sito del docente (link comunicato all’inizio del corso).
Ulteriori testi di supporto sono i seguenti:
HILL P., PETERSON C., “MECHANICS AND THERMODYNAMICS OF PROPULSION”, ADDISON WESLEY PUBL., 2ND ED., 1992.
CUMPSTY N., “JET PROPULSION”, CAMBRIDGE UNIV. PRESS, 1997.

L’insegnamento di Costruzioni Aeronautiche rientra nell'ambito delle attività caratterizzanti l' SSD ING-IND/04 Costruzioni e strutture aerospaziali.

Il programma dell’insegnamento è strutturato per fornire agli studenti conoscenze e competenze nell'ambito della progettazione strutturale di componenti aeronautici, tramite metodologie ampiamente utilizzate nelle fasi di progettazione concettuale e preliminare del velivolo.

Il programma dell’insegnamento è articolato in 36 lezioni frontali (pari a 9CFU) suddivise nelle seguenti cinque sezioni principali:

1) Teoria delle travi: flessione bidirezionale. torsione; travi a parete sottile monocella soggetti a torsione (teoria di Bredt-Batho), travi a parete sottile aperta soggetti a torsione; travi a parete sottile monocella e a parete sottile aperta soggetti a carichi trasversali (definizione e determinazione del centro di taglio); travi a parete sottile multicella soggetti a carichi trasversali e a torsione, travi rastremate.

2) Principi di progettazione del velivolo e introduzione delle strutture semimonoscocca: richiami su criteri di resistenza dei materiali fragili e duttili, tipologie di carichi agenti sul velivolo, accenni alle normative di riferimento per la progettazione del velivolo, struttura del cassone alare, struttura di fusoliera, analisi dello stato di sforzo e deformazione, idealizzazione strutturale.

3) Teoria di Kirchhoff delle piastre sottili: problema a membrana, problema a flessione, metodo delle autofunzioni per piastre semplicemente appoggiate.

4) Elementi di teoria della stabilità elastica: analisi della stabilità dell'equilibrio elastico di travi soggette a carichi di compressione (carico di Eulero); analisi della stabilità dell'equilibrio elastico di piastre soggette a carichi di compressione; problema del buckling per le strutture aeronautiche.

5) Teoria dei gusci: comportamento a membrana di gusci di rivoluzione caricati assialsimmetricamente. Definizione della struttura di fusoliera e analisi del suo stato di sforzo indotto dalla pressurizzazione.

- T.H.G. Megson, Aircraft Structures for Engineering Students, Arnold, London, 1999 (per gli argomenti 1, 2, 3 e 4 del programma)

- C.T. Sun, Mechanics of Aircraft Structures, John Wiley & Sons, New York, 1998 (per gli argomenti 1, 2, 3 e 4 del programma)

- S.P. Timoshenko, Theory of Plates and Shells, McGRAW-hill, 1959 (per gli argomenti 3 e 5 del programma)

- Dispense del docente (per tutti gli argomenti del programma)

Il materiale didattico utilizzato è indicato di volta in volta dal docente durante le lezioni. Le dispense sono rese disponibili sulla piattaforma Moodle, per agevolarne la fruizione sia da parte degli studenti frequentanti che di quelli non frequentanti. Sulla piattaforma Moodle vengono rese disponibili anche le specifiche dell'esercitazione di gruppo che gli studenti devono svolgere durante l'anno, nonché una raccolta delle prove d'esame scritte di appelli precedenti, mirata a fornire agli studenti un valido e realistico banco di prova su cui esercitarsi in visone dell'esame finale.

Concetti Fondamentali
Richiami di Fluidodinamica: equazioni di governo in campo incompressibile e compressibile, analisi dimensionale, soluzioni asintotiche. Campo sonoro; Onde nei gas e nei liquidi; Diffrazione; Acustica geometrica; Onde nei solidi; Analisi in frequenza del suono; definizione di Decibel e SPL; Filtri; Somma campi sonori; Interferenza e componenti in frequenza.

Gallerie del vento a bassa velocità, alta velocità e anecoiche.

Equazione delle onde nei fluidi
Equazione delle onde in un campo privo di sorgente; Soluzioni generali e armoniche; Intensità del suono; Energia e densità di energia; riflessione e trasmissione delle onde. Meccanismi di generazione e propagazione del suono. Sorgenti sonore: Monopoli; Dipoli; Quadripoli.

Elementi di analisi del segnale e di teoria della probabilità.

Impianti per la misura del suono.
Camere anecoiche e camere riverberanti.

Tecniche di misura del suono
Alcuni fondamenti di matematica; Analisi di Fourier; Sistemi di Misura; Caratterizzazione di sorgenti acustiche mediante microfoni.

Principali tecniche sperimentali per lo studio di flussi turbolenti
Anemometria a filo caldo ad una e più componenti; anemometria Laser Doppler; Particle Image Velocimetry. Laser Induced Fluorescence.

Metodi ottici per l’analisi di campi di densità
Interferometria, Schlieren, Shadowgraph

Altri tipi di misure in gallerie aerodinamiche:
Tubo di Pitot, trasduttori di pressione, misure di portata (Venturimetri, Flussimetri), misure di temperatura con termocoppie, misure di forza e bilance dinamometriche, misure di acustica.

Dispense a cura del docente.

L’insegnamento di Analisi di Strutture Aeronautiche rientra nell'ambito delle attività caratterizzanti l' SSD ING-IND/04 Costruzioni e strutture aerospaziali.

Il programma dell’insegnamento è strutturato per fornire agli studenti conoscenze e competenze nell'ambito della progettazione strutturale di componenti aeronautici, tramite metodologie ampiamente utilizzate nella fase di progettazione di dettaglio del velivolo.

Il programma dell’insegnamento è articolato in 36 lezioni frontali (pari a 9CFU) suddivise nelle seguenti otto sezioni principali:

1) Richiami di algebra tensoriale: Tensori di ordine N e operazioni tra tensori. Coordinate curvilinee. Vettori di base covarianti e controvarianti. Vettori e tensori in coordinate curvilinee. Operatori differenziali in coordinate curvilinee.

2) Cinematica del continuo deformabile: Descrizione Euleriana e Lagrangiana del moto. Teoria delle deformazioni finite. Tensore gradiente di spostamento e deformazione. Teorema della decomposizione polare. Tensori di deformazione in una visione Lagrangiana ed Euleriana (tensori di Cauchy-Green e di Eulero-Almansi). Tensore velocità di deformazione. Teoria linearizzata (piccoli spostamenti e deformazioni). Equazione di conservazione della massa in una visione materiale e spaziale.

3) Dinamica del continuo deformabile: Equazione di bilancio della quantità di moto in una visione Lagrangiana ed Euleriana. Teorema di Cauchy. Tensore degli sforzi di Cauchy e di Piola–Kirchhoff. Bilancio del momento della quantità di moto in una visione materiale e spaziale. Equazione di bilancio dell’energia meccanica in una visione materiale e spaziale.

4) Termodinamica del continuo deformabile: Equazioni di conservazione dell’energia totale e dell’energia termodinamica in una visione materiale e spaziale. Teorema di Stokes per il flusso di calore. Secondo principio della termodinamica.

5) Teoria delle relazioni costitutive: Assiomi di Noll. Implicazioni del secondo principio della termodinamica sulla teoria delle relazioni costitutive dei materiali. Cenni alla teoria delle relazioni costitutive di materiali termoelastici: definizione del tensore elastico isotermo, del tensore degli sforzi termici, del tensore conduttività termica. Particolarizzazione delle relazioni costitutive al caso di materiali termoelastici lineari isotropi.

6) Problema termoelastico in strutture di interesse aeronautico: Formulazione termoelastica disaccoppiata. Problema della conduzione del calore e relative condizioni al contorno ed iniziali. Problema della determinazione degli sforzi dovuta all’azione combinata di carichi esterni e carichi termici: la trave di Eulero-Bernoulli e la piastra sottile.

7) Il metodo degli elementi finiti: Formulazione forte e debole del problema termoelastico disaccoppiato. Relazione tra la formulazione forte e debole e trattamento delle condizioni al contorno. Principio dei lavori virtuali. Discretizzazione e definizione delle funzioni di forma. Scelta delle funzioni di forma. Definizione delle matrici di massa, di rigidezza di smorzamento di elemento. Definizione del vettore dei carichi nodali equivalenti. Processo di assemblaggio. Imposizione delle condizioni al contorno sugli spostamenti. Elementi conformi. Elementi non conformi – patch test. Elementi isoparametrici. Metodi classici per la valutazione delle funzioni di forma. Esempi di applicazione in problemi di interesse in ambito aeronautico: aste, travi, piastre e gusci.

8) Introduzione all’utilizzo del codice Autodesk Inventor: modellazione geometrica. Definizione delle caratteristiche dei materiali. Definizione delle condizioni al contorno e del sistema di carichi. Metodi di soluzione. Post-processing dei dati. Applicazione all’analisi strutturale di un’ala e/o di una fusoliera.

- M.E., Gurtin, An Introduction to Continuum Mechanics, Academic Press, 1981 (per gli argomenti 1, 2, 3 e 5 del programma)

- Boley, B.A, Weiner. J.H., Theory of Thermal Stresses, John Wiley & Sons, New York, 1960 (per gli argomenti 4, 5 e 6 del programma)

- Thomas J.R., Hughes, ‘The Finite Element Method – Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis,’ Dover, 2000 (per l'argomento 7 del programma)

- T.H.G., Megson, Aircraft Structures for Engineering Students, Arnold, London, 1999 (per l'argomento 7 del programma)

- Dispense fornite dal docente (per tutti gli argomenti del programma)

Il materiale didattico utilizzato è indicato di volta in volta dal docente durante le lezioni. Le dispense sono rese disponibili sulla piattaforma Moodle, per agevolarne la fruizione sia da parte degli studenti frequentanti che di quelli non frequentanti. Sulla piattaforma Moodle vengono rese disponibili anche le specifiche del progetto di gruppo che gli studenti devono svolgere durante l'anno, nonché una raccolta delle prove d'esame scritte di appelli precedenti, mirata a fornire agli studenti un valido e realistico banco di prova su cui esercitarsi in visone dell'esame finale.

Unità didattica I
Dimensionamento preliminare di velivoli
Stima peso max al decollo
Profili di missione
Dimensionamento preliminare aerodinamico e strutturale
Selezione apparato propulsivo
Lofting di primo tentativo

Unità didattica II
Generalità su ottimizzazione multidisciplinare per il progetto concettuale
Metodi ottimizzazione locali e globali
Ottimizzazione multi-obiettivo
Metodi di ottimizzazione multifedeltà
Metamodelli e modelli surrogati
DOE

Unità didattica III
Knowledge-Based Engineering
Progettazione in presenza di incertezze tecnologiche e operative
Quantificazione delle incertezze (metodi Montecarlo)
Effetto delle incertezze su funzione obiettivo: Ottimizzazione robusta
Effetto delle incertezze sui vincoli: Ottimizzazione affidabile
Metamodelli stocastici adattativi (Kriging, RBF, ...)

Unità didattica IV
Strumenti e metodi di analisi
Uso del pacchetto FRIDA (FRamework for Integrrated Design in Aeronautics)
Uso di software GA (Genetic Algorithm), PSO (Particle Swarm OPtimization)
Integrazione di modelli di simulazione
Esercitazione applicative

- Dispense a cura del docente
- Daniel P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, Volume 1, AIAA education series, ISBN 1563478307, 9781563478307
- Sobieszczanski-Sobieski, Alan Morris, Michel van Tooren, "MULTIDISCIPLINARY DESIGN OPTIMIZATION SUPPORTED BY KNOWLEDGE BASED ENGINEERING", Wiley, 2015

Introduzione al modello semi-rigido di ala a 2 gdl e determinazione delle relative equazioni di governo mediante formulazione Lagrangiana. Modelli aerodinamici semplificati 2D, stazionari e quasi-stazionari, per lo studio dell'aeroelasticità del modello semirigido. Studio del flutter e della divergenza aeroelastica.

La teoria aerodinamica 2D, non stazionaria di Theodorsen. Studio del flutter mediante il metodo V-g. Approssimazione alla Padè della `lift deficiency function' e relativo modello aeroelastico agli stati finiti. Relazione tra la teoria di Theodorsen e la teoria di Wagner.

Modello aeroelastico di ali 3D: modello dinamico-strutturale di trave flesso-torsionale, modello aerodinamico `strip theory' e applicazione del metodo di Galerkin. Effetto della freccia alare. Studio della stabilità aeroelastica.

Aerodinamica 3D non-stazionaria: flussi non-viscosi incompressibili; formulazione differenziale per flussi quasi-potenziali incompressibili; formulazione integrale per flussi quasi-potenziali incompressibili e metodo dei pannelli per la sua soluzione numerica. Matrice aerodinamica per l'analisi della stabilità aeroelastica. Approssimazione razionale matriciale della matrice aerodinamica, relativo modello aeroelastico agli stati finiti e studio del flutter.

Aeroelasticità sezioni alari con flap di estremità. Attuazione del flap per il controllo del flutter mediante applicazione della teoria del controllo ottimo con osservatore.

Gennaretti, M., Lezioni di Aeroelasticità, Edizioni Efesto, Roma, 2021.

Possono essere utili come ulteriore riferimento anche i seguenti testi:
Bisplinghoff, R.L., Ashley H., Halfman, R., Aeroelasticity. Dover Publications, 1996.
Hodges, D.H. and Pierce, A., Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity. Cambridge Aerospace Series, 2002.