Forstå hva Fluid Dynamics er

Væskedynamikk er studiet av bevegelse av væsker, inkludert deres interaksjoner når to væsker kommer i kontakt med hverandre. I denne sammenhengen refererer uttrykket "væske" til begge væske eller gasser. Det er en makroskopisk, statistisk tilnærming for å analysere disse interaksjonene i stor skala, og se på væskene som et kontinuum av materien og generelt ignorerer det faktum at væsken eller gassen er sammensatt av individ atomer.

Væskedynamikk er en av de to hovedgrenene til væskemekanikk, med den andre grenen som væskestatistikk, studiet av væsker i ro. (Kanskje ikke overraskende kan fluidstatistikk tenkes å være litt mindre spennende mesteparten av tiden enn væskedynamikk.)

Hver disiplin involverer begreper som er avgjørende for å forstå hvordan den fungerer. Her er noen av de viktigste du vil komme over når du prøver å forstå væskedynamikk.

Væskekonseptene som gjelder i væskestatikk kommer også inn når man studerer væske som er i bevegelse. Stort sett det tidligste konseptet i fluidmekanikk er det av

Når væsker strømmer, vil tetthet og press av væskene er også avgjørende for å forstå hvordan de vil samhandle. De viskositet bestemmer hvor motstandsdyktig væsken er mot å endre, så er også viktig for å studere væskens bevegelse. Her er noen av variablene som kommer opp i disse analysene:

• Masseviskositet: μ
• tetthet: ρ
• KINEMATISK viskositet: ν = μ / ρ

Siden væskedynamikk involverer studiet av fluidets bevegelse, er et av de første begrepene som må forstås hvordan fysikere kvantifiserer den bevegelsen. Begrepet som fysikere bruker for å beskrive de fysiske egenskapene til væskebevegelse er strømme. Flow beskriver et bredt spekter av fluidbevegelser, slik som blåser gjennom luften, strømmer gjennom et rør eller løper langs en overflate. Strømmen av en væske er klassifisert på en rekke forskjellige måter, basert på de forskjellige egenskapene til strømmen.

Hvis bevegelsen av væske ikke endrer seg over tid, regnes den som en jevn flyt. Dette bestemmes av en situasjon der alle egenskapene til strømmen forblir konstant med hensyn til tid eller vekselvis kan snakkes om ved å si at tidsderivatene til strømningsfeltet forsvinner. (Sjekk ut kalkulaturen for mer om forståelse av derivater.)

EN jevn strøm er enda mindre tidsavhengig fordi alle fluidegenskapene (ikke bare strømningsegenskapene) forblir konstante på hvert punkt i fluidet. Så hvis du hadde en jevn flyt, men egenskapene til selve væsken endret seg på et tidspunkt (muligens pga en barriere som forårsaker tidsavhengige krusninger i noen deler av væsken), da vil du ha en jevn flyt som er ikke en jevn strøm.

Alle stabilitetsstrømmer er imidlertid eksempler på jevn strøm. En strøm som strømmer med en konstant hastighet gjennom et rett rør, vil være et eksempel på en jevn strøm (og også en jevn strøm).

Hvis flyten i seg selv har egenskaper som endrer seg over tid, kalles den en ustabil flyt eller a forbigående flyt. Regn som strømmer inn i rennesteinen under en storm er et eksempel på ustabil strømning.

Som en generell regel gir jevn strømning lettere problemer å håndtere enn ustabile strømmer, som er hva man kan forvente gitt at tidsavhengige endringer i flyten trenger ikke å tas med i beregningen, og ting som endrer seg over tid vil vanligvis gjøre ting mer komplisert.

En jevn flyt av væske sies å ha laminær flyt. Flyt som inneholder tilsynelatende kaotisk, ikke-lineær bevegelse sies å ha Turbulent strømning. Per definisjon er en turbulent flyt en type ustabil flyt.

Begge typer strømmer kan inneholde virvler, virvler og forskjellige typer resirkulering, selv om jo mer slik oppførsel som finnes, desto mer sannsynlig er strømmen å bli klassifisert som turbulent.

Skillet mellom om en flyt er laminær eller turbulent er vanligvis relatert til Reynolds nummer (Re). Reynolds-tallet ble først beregnet i 1951 av fysiker George Gabriel Stokes, men det er oppkalt etter forskeren fra 1800-tallet Osborne Reynolds.

Reynolds-tallet er ikke bare avhengig av spesifikasjonene til selve væsken, men også av betingelsene for dens strømning, avledet som forholdet mellom treghetskrefter og viskøse krefter på følgende måte:

Re = Treghetskraft / Viskøse krefter

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Begrepet dV / dx er gradienten av hastigheten (eller første derivat av hastigheten), som er proporsjonal med hastigheten (V) delt på L, som representerer en lengde skala, noe som resulterer i dV / dx = V / L. Det andre derivatet er slik at d²V / dx² = V / L². Å erstatte disse i det første og andre derivat resulterer i:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Du kan også dele gjennom lengdeskala L, noe som resulterer i a Reynolds antall per fot, utpekt som Re f = V / ν.

Et lavt Reynolds-tall indikerer jevn, laminær strømning. Et høyt Reynolds-tall indikerer en flyt som kommer til å demonstrere virvler og virvler og vil generelt være mer turbulent.

Rørstrøm representerer en strømning som er i kontakt med stive grenser på alle sider, for eksempel vann som beveger seg gjennom et rør (derav navnet "rørstrømning") eller luft som beveger seg gjennom en luftekanal.

Åpen kanal flyt beskriver flyt i andre situasjoner der det er minst en fri overflate som ikke er i kontakt med en stiv grense. (Teknisk sett har den frie overflaten 0 parallell ren spenning.) Tilfeller av åpen kanalstrøm inkluderer vann som beveger seg gjennom en elv, flom, vann som renner under regn, tidevannsstrømmer og vanningskanaler. I disse tilfeller representerer overflaten av det rennende vannet, der vannet er i kontakt med luften, den "frie overflaten" av strømmen.

Strømmer i et rør drives av enten trykk eller tyngdekraft, men strømmer i åpne kanalsituasjoner drives utelukkende av tyngdekraften. Byvannsystemer bruker ofte vanntårn for å dra nytte av dette, slik at høydeforskjellen på vannet i tårnet ( hydrodynamisk hode) oppretter en trykkdifferensial, som deretter justeres med mekaniske pumper for å få vann til stedene i systemet der de trengs.

Gasser behandles vanligvis som komprimerbare væsker fordi volumet som inneholder dem kan reduseres. En luftkanal kan reduseres med halvparten av størrelsen og fremdeles bære samme mengde gass med samme hastighet. Selv når gassen strømmer gjennom luftkanalen, vil noen regioner ha høyere tetthet enn andre regioner.

Som en generell regel betyr det å være inkomprimerbart at tettheten i et hvilket som helst område av væsken ikke endres som en funksjon av tiden når den beveger seg gjennom strømmen. Væsker kan selvfølgelig også komprimeres, men det er mer en begrensning i mengden komprimering som kan gjøres. Av denne grunn er væsker typisk modellert som om de var inkomprimerbare.

Bernoullis prinsipp er et annet sentralt element i flytende dynamikk, publisert i Daniel Bernoullis bok fra 1738 Hydrodynamica. Enkelt sagt forholder det økningen av hastigheten i en væske til en reduksjon i trykk eller potensiell energi. For ukomprimerbare væsker kan dette beskrives ved å bruke det som kalles Bernoullis ligning:

(v²/2) + gz + p/ρ = konstant

Hvor g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, ρ er trykket i hele væsken, v er fluidstrømningshastigheten på et gitt punkt, z er høyden på det tidspunktet, og p er trykket på det tidspunktet. Fordi dette er konstant i en væske, betyr dette at disse ligningene kan forholde seg til to punkter, 1 og 2, med følgende ligning:

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

Forholdet mellom trykk og potensiell energi til en væske basert på høyde er også relatert gjennom Pascal's Law.

To tredjedeler av jordoverflaten er vann og planeten er omgitt av lag med atmosfære, så vi er bokstavelig talt omgitt av væsker... nesten alltid i bevegelse.

Når vi tenker litt på det, gjør dette det ganske åpenbart at det vil være mye interaksjoner med flytende væske for oss å studere og forstå vitenskapelig. Det er der væskedynamikk kommer inn, selvfølgelig, så det er ingen mangel på felt som bruker begreper fra væskedynamikk.

Denne listen er overhodet ikke uttømmende, men gir en god oversikt over måter væskedynamikk dukker opp i studiet av fysikk på tvers av en rekke spesialiseringer:

• Oseanografi, meteorologi og klimavitenskap - Siden atmosfæren er modellert som væsker, er studiet av atmosfærisk vitenskap og havstrømmer, avgjørende for å forstå og forutsi værmønstre og klimatrender, er veldig avhengig av væskedynamikk.
• Aeronautics - Fysikken i væskedynamikk innebærer å studere luftstrømmen for å skape dra og løfte, som igjen genererer kreftene som tillater tyngre enn luft-flyging.
• Geologi og geofysikk - Platetektonikk innebærer å studere bevegelsen av det oppvarmede stoffet i den flytende kjernen av jorden.
• Hematologi & hemodynamikken -Den biologiske studien av blod inkluderer studiet av sirkulasjonen gjennom blodkar, og blodsirkulasjonen kan modelleres ved hjelp av metodene for væskedynamikk.
• Plasmafysikk - Selv om hverken en væske eller en gass, plasma oppfører seg ofte på måter som ligner væsker, så kan også modelleres ved hjelp av væskedynamikk.
• Astrofysikk og kosmologi - Prosessen med stjernevolusjon innebærer endring av stjerner over tid, som kan forstås ved å studere hvordan plasmaet som komponerer stjernene flyter og samhandler i stjernen over tid.
• Trafikkanalyse - Kanskje en av de mest overraskende bruksområdene med væskedynamikk er å forstå bevegelsen av trafikk, både kjøretøy- og fotgjengertrafikk. I områder der trafikken er tilstrekkelig tett, kan hele trafikkdelen behandles som en enhet som oppfører seg på måter som er omtrent like nok som væskestrømmen.

Væskedynamikk blir også noen ganger referert til som hydrodynamikk, selv om dette er mer et historisk begrep. Gjennom det tjuende århundre ble uttrykket "fluid dynamics" mye mer brukt.

Teknisk vil det være mer hensiktsmessig å si at hydrodynamikk er når væskedynamikk brukes til væsker i bevegelse og aerodynamikk er når væskedynamikk brukes på gasser i bevegelse.

Imidlertid bruker spesialiserte emner som hydrodynamisk stabilitet og magnetohydrodynamikk i praksis "hydro-" prefikset, selv når de bruker disse begrepene på gassens bevegelse.