A folyadékdinamika megértése

A folyadékdinamika a folyadékok mozgásának tanulmányozása, beleértve azok kölcsönhatásait, amikor két folyadék érintkezik egymással. Ebben az összefüggésben a "folyadék" kifejezés mindkétre vonatkozik folyadék vagy gázok. Makroszkopikus, statisztikai megközelítés ezen interakciók nagyméretű elemzésére, a folyadékok megtekintésére az anyag folytonosságaként, és általában figyelmen kívül hagyva azt a tényt, hogy a folyadék vagy a gáz egyénből áll atomok.

A folyadékdinamika a két fő ága Áramlástan, a másik ág pedig folyékony statika, folyadékok tanulmányozása nyugalomban. (Lehet, hogy nem meglepő, hogy a folyadékstatikát legtöbbször kissé kevésbé izgalmasnak tekintik, mint a folyadékdinamikát.)

Minden tudományág olyan fogalmakat tartalmaz, amelyek nélkülözhetetlenek a működésének megértéséhez. Íme néhány fő, amelyekkel a folyadékdinamika megértésekor találkozol.

A folyadék statikában alkalmazott folyadékkoncepciók szintén szerepet játszanak a mozgásban lévő folyadék tanulmányozásában. A folyadékmechanikában a legkorábbi koncepció a következő

Ahogy a folyadékok áramlanak, a sűrűség és nyomás a folyadékok mennyisége szintén döntő jelentőségű annak megértésében, hogyan fognak kölcsönhatásba lépni. Az viszkozitás meghatározza, mennyire ellenálló a folyadék változása, tehát ez is elengedhetetlen a folyadék mozgásának tanulmányozásához. Íme néhány változó, amelyek felmerülnek ezekben az elemzésekben:

• Ömlesztett viszkozitás: μ
• Sűrűség: ρ
• Kinematikus viszkozitás: ν = μ / ρ

Mivel a folyadékdinamika magában foglalja a folyadék mozgásának tanulmányozását, az első fogalmak, amelyeket meg kell érteni, az, hogy a fizikusok hogyan számolják ezt a mozgást. Az a kifejezés, amelyet a fizikusok használnak a folyadék mozgásának fizikai tulajdonságainak leírására folyam. Az áramlás a folyadék mozgásának széles skáláját írja le, például a levegőn keresztül fúj, egy csövön átáramlik vagy egy felület mentén fut. A folyadék áramlását számos különféle módon osztályozzuk, az áramlás különböző tulajdonságai alapján.

Ha a folyadék mozgása az idő múlásával nem változik, akkor a egyenletes áramlás. Ezt egy olyan helyzet határozza meg, amikor az áramlás minden tulajdonsága állandó az idő függvényében, vagy váltakozva lehet arról beszélni, hogy az áramlási mező időderivatívumai eltűnnek. (Nézze meg a kalkulust, ha többet szeretne megtudni a származékok megértéséről.)

A egyensúlyi állapotú áramlás még kevésbé függ az időtől, mivel az összes folyadék tulajdonság (nem csak az áramlási tulajdonságok) állandó marad a folyadék minden pontján. Tehát ha folyamatos áramlás volt, de maga a folyadék tulajdonságai egy bizonyos ponton megváltoztak (valószínűleg azért egy gát, amely időfüggő hullámzást okoz a folyadék egyes részein), akkor folyamatos áramlása lenne, azaz nem egyensúlyi állapotú áramlás.

Minden egyensúlyi állapotú áramlás azonban a folyamatos áramlások példája. Egy állandó csövön keresztül állandó sebességgel áramló áram az egyensúlyi áramlás (és az állandó áramlás is) példája.

Ha maga az áramlásnak olyan tulajdonságai vannak, amelyek az idő múlásával megváltoznak, akkor annak nevezzük bizonytalan áramlás vagy a átmeneti áramlás. A vihar során a csatornába folyó eső egy példa a nem állandó áramlásra.

Általános szabály, hogy az állandó áramlások megkönnyítik a problémák kezelését, mint a nem állandó folyamatok, és erre számíthatunk, ha a az áramlástól függő időbeli változásokat nem kell figyelembe venni, és az idővel változó dolgok általában még inkább elősegítik a dolgokat bonyolult.

Állítólag egy sima folyadékáramlással rendelkezik lamináris áramlás. A látszólag kaotikus, nemlineáris mozgást tartalmazó áramlásról azt mondják turbulens áramlás. Meghatározása szerint a turbulens áramlás a nem állandó áramlás egy típusa.

Mindkét típusú áramlás tartalmazhat örvényeket, örvényeket és különféle típusú recirkulációkat, bár minél több ilyen viselkedés létezik, annál valószínűbb, hogy az áramlást turbulensnek kell besorolni.

Az a különbség, hogy az áramlás lamináris vagy turbulens - általában összefügg a légárammal Reynolds-szám (Újra). A Reynolds-számot először 1951-ben George Gabriel Stokes fizikus számította ki, ám a 19. századi tudós, Osborne Reynolds elnevezése után kapta a nevét.

A Reynolds-szám nemcsak a folyadék sajátosságaitól függ, hanem áramlási körülményeitől is, amelyeket a tehetetlenségi erők viszkózus erőkhöz viszonyított arányának a következő módon számítunk ki:

Újra = Inerciális erő / viszkózus erők

Újra = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

A dV / dx kifejezés a sebesség gradiense (vagy a sebesség első deriváltja), amely arányos a sebességgel (V) osztva L, amely a hosszúság skáláját képviseli, dV / dx = V / L-t eredményezve. A második származék olyan, hogy d²V / dx² = V / L². Ezek helyettesítése az első és a második származékkal az alábbiakhoz vezet:

Újra = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Az L hossz skálán is megoszthatja, így a lehet Reynolds-szám / láb, jelöléssel Re f = V / ν.

Az alacsony Reynolds-szám a sima, lamináris áramlást jelzi. A magas Reynolds-szám azt az áramlást jelzi, amely örvényeket és örvényeket mutat be, és általában turbulens.

Csőáramlás olyan áramlást jelent, amely minden oldalán merev határokkal érintkezik, például egy csövön átmenő víztel (így "csőáram" elnevezés) vagy egy légcsatornán áthaladó levegővel.

Nyitott csatornás áramlás leírja az áramlást más helyzetekben, ahol van legalább egy szabad felület, amely nincs érintkezésben egy merev határral. (Műszaki szempontból a szabad felületnek 0 párhuzamos merőleges feszültsége van.) A nyílt csatornás áramlás esetei között szerepel folyón áthaladó víz, áradások, esőben folyó víz, árapály- és öntözőcsatornák. Ezekben az esetekben az áramló víz felülete, ahol a víz érintkezésbe kerül a levegővel, az áramlás "szabad felületét" képviseli.

A csőben az áramlást akár nyomás, akár gravitáció vezérli, de a nyílt csatornás helyzetekben az áramlást kizárólag a gravitáció hajtja végre. A városi vízrendszerek gyakran víztornyokat használnak ennek kihasználására, így a torony vízének magassági különbsége ( hidrodinamikai fej) nyomáskülönbséget hoz létre, amelyet ezután mechanikus szivattyúkkal állítanak be, hogy a víz a rendszer azon helyére kerüljön, ahol szükség van rájuk.

A gázokat általában összenyomható folyadékként kezelik, mivel az azokat tartalmazó térfogat csökkenthető. A légcsatorna a felére csökkenthető, és ugyanolyan mennyiségű gázt szállít ugyanolyan sebességgel. Még ha a gáz átfolyik a légcsatornán is, egyes régiók sűrűsége nagyobb lesz, mint más régiókban.

Általános szabály, hogy az összenyomhatatlanság azt jelenti, hogy a folyadék bármely régiójának sűrűsége az idő függvényében nem változik, amikor az áramláson halad keresztül. A folyadékokat természetesen összenyomhatjuk, de a korlátozott tömörítés mennyisége korlátozott. Ezért a folyadékokat általában úgy modellezik, mintha összenyomhatatlanok lennének.

Bernoulli elve a folyadékdinamika másik kulcsfontosságú eleme, amelyet Daniel Bernoulli 1738-as könyvében tett közzé Hydrodynamica. Egyszerűen fogalmazva: a folyadék sebességének növekedését a nyomás vagy a potenciális energia csökkenéséhez kapcsolja. Az összenyomhatatlan folyadékok esetében ez az úgynevezett módszerrel írható le Bernoulli egyenlete:

(v²/2) + gz + p/ρ = állandó

Hol g a gravitáció által okozott gyorsulás, ρ a folyadék nyomása, v a folyadék áramlási sebessége egy adott ponton, Z a magasság ezen a ponton, és p a nyomás ezen a ponton. Mivel ez a folyadékon belül állandó, ez azt jelenti, hogy ezek az egyenletek bármelyik 1. és 2. pontot összekapcsolhatják a következő egyenlettel:

(v₁²/2) + gz₁ + p₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + p₂/ρ

A folyadék nyomása és a magasságon alapuló potenciális energiája közötti kapcsolatot Pascal törvénye is összekapcsolja.

A Föld felszínének kétharmada víz és a bolygót légköri rétegek veszik körül, tehát szó szerint mindenkor folyadékok vesznek körül... szinte mindig mozgásban van.

Kicsit átgondolva, ez nyilvánvalóvá teszi, hogy a mozgó folyadékok sokféle kölcsönhatásba kerülnek számunkra, hogy tudományosan tanulmányozzuk és megértsük. Természetesen itt jön be a folyadékdinamika, tehát nem hiányzik olyan mező, amely a folyadékdinamikából származó fogalmakat alkalmazza.

Ez a lista egyáltalán nem kimerítő, de jó áttekintést nyújt arról, hogy a folyadékdinamika miként jelenik meg a fizika tanulmányozásában a különféle specialitások körében:

• Oceanográfia, meteorológia és éghajlattudomány - Mivel a légkört folyadékként modellezik, a légköri tudomány és a óceáni áramlatok, amely elengedhetetlen az időjárási minták és az éghajlati trendek megértéséhez és előrejelzéséhez, nagymértékben függ a folyadékdinamikától.
• Repülés - A folyadékdinamika fizikája magában foglalja a levegő áramlásának tanulmányozását, hogy meghúzódjon és emelkedjen, ami viszont olyan erőket generál, amelyek lehetővé teszik a levegőnél nehezebb repülést.
• Geológia és geofizika - Lemeztektonika magában foglalja a felmelegített anyag mozgását a Föld folyékony magjában.
• Hematológia és hemodinamikai -A vér biológiai vizsgálata magában foglalja az ér erein keresztüli keringésének tanulmányozását, és a vérkeringés modellezhető a folyadékdinamika módszerével.
• Plazmafizika - Bár sem folyadék, sem gáz, vérplazma gyakran a folyadékokhoz hasonló módon viselkedik, tehát a folyadékdinamika segítségével modellezhető.
• Asztrofizika és kozmológia - A csillagok evolúciója magában foglalja a csillagok időbeli változását, ami megérthető annak tanulmányozásával, hogy a csillagokat alkotó plazma miként áramlik és hogyan működik együtt a csillagon belül az idő múlásával.
• Forgalom elemzése - A folyadékdinamika egyik legmeglepőbb módja a forgalom mozgásának megértése, mind a járművek, mind a gyalogosok mozgása szempontjából. Azokban a területeken, ahol a forgalom elég sűrű, a teljes forgalom egyetlen entitásként kezelhető, amely megközelítőleg hasonló módon viselkedik, mint a folyadék áramlása.

A folyadékdinamikára is gyakran hivatkoznak hidrodinamika, bár ez inkább történelmi kifejezés. A huszadik század folyamán a "folyadékdinamika" kifejezés sokkal gyakoribbá vált.

Technikai szempontból helyesebb lenne azt mondani, hogy a hidrodinamika akkor áll fenn, amikor a folyadékdinamikát mozgatják a mozgásban lévő folyadékokra aerodinamika amikor folyadékdinamikát alkalmaznak a mozgásban lévő gázokra.

A gyakorlatban azonban olyan speciális témák, mint például a hidrodinamikai stabilitás és a magnetohidrodinamika, még akkor is, ha ezeket a fogalmakat a gázok mozgására alkalmazzák, használják a „hidro-” előtagot.