Pochopenie toho, čo je dynamika tekutín

Dynamika tekutín je štúdium pohybu tekutín vrátane ich interakcií, keď dve tekutiny prichádzajú do vzájomného kontaktu. V tomto kontexte sa výrazom „tekutina“ rozumie buď kvapalina alebo plyny. Je to makroskopický, štatistický prístup k analýze týchto interakcií vo veľkom meradle, pri sledovaní tekutín ako kontinuum hmoty a všeobecne ignorujúc skutočnosť, že kvapalina alebo plyn sa skladá z jednotlivca atómy.

Dynamika tekutín je jednou z dvoch hlavných vetiev mechanika tekutín, s druhou vetvou tekutinová statika, štúdium tekutín v pokoji. (Možno nie je prekvapujúce, že statiku tekutín možno považovať za trochu menej vzrušujúcu väčšinu času ako dynamiku tekutín.)

Každá disciplína zahŕňa pojmy, ktoré sú rozhodujúce pre pochopenie jej fungovania. Tu sú niektoré z tých hlavných, s ktorými sa stretnete pri pokuse porozumieť dynamike tekutín.

Pri štúdiu tekutín, ktoré sú v pohybe, prichádzajú do úvahy aj koncepcie tekutín, ktoré sa používajú v statike tekutín. Najskoršou koncepciou mechaniky tekutín je koncepcia

Ako tekutina tečie, hustota a tlak tekutín sú tiež rozhodujúce pre pochopenie toho, ako budú interagovať. viskozita určuje, ako odolná je kvapalina voči zmenám, tak je tiež nevyhnutná pri štúdiu pohybu kvapaliny. Tu sú niektoré z premenných, ktoré sa objavujú v týchto analýzach:

• Objemová viskozita: μ
• Hustota: ρ
• Kinematická viskozita: ν = μ / ρ

Keďže dynamika tekutín zahŕňa štúdium pohybu tekutiny, jedným z prvých konceptov, ktoré je potrebné pochopiť, je to, ako fyzici kvantifikujú tento pohyb. Termín, ktorý fyzici používajú na opis fyzikálnych vlastností pohybu kvapaliny, je prietok. Prietok opisuje široký rozsah pohybu tekutiny, ako je fúkanie vzduchom, prúdenie potrubím alebo behanie po povrchu. Tok tekutiny je klasifikovaný rôznymi spôsobmi, na základe rôznych vlastností toku.

Ak sa pohyb tekutiny v priebehu času nemení, považuje sa to za a konštantný tok. Toto je určené situáciou, keď všetky vlastnosti toku zostávajú konštantné s ohľadom na čas alebo sa o nich dá hovoriť hovorením, že časové deriváty tokového poľa zmiznú. (Prečítajte si viac informácií o derivátoch.)

tok v ustálenom stave je ešte menej časovo závislý, pretože všetky vlastnosti tekutiny (nielen vlastnosti toku) zostávajú konštantné v každom bode v tekutine. Ak ste mali stály prietok, ale vlastnosti tekutiny sa v určitom okamihu zmenili (pravdepodobne kvôli bariéra spôsobujúca vlnky závislé od času v niektorých častiach tekutiny), potom by ste mali stabilný prietok, ktorý je nie tok v ustálenom stave.

Všetky toky v ustálenom stave sú príkladmi stálych tokov. Prúd tečúci konštantnou rýchlosťou cez priame potrubie by bol príkladom ustáleného toku (a tiež ustáleného toku).

Ak má samotný tok vlastnosti, ktoré sa časom menia, potom sa nazýva nestabilný tok alebo a prechodný tok. Príkladom nestabilného prúdenia je dážď, ktorý počas búrky prúdi do odkvapu.

Spravidla stabilné toky spôsobujú ľahšie riešenie problémov ako nestabilné toky, čo by sa dalo očakávať vzhľadom na to, že časovo závislé zmeny toku nemusia byť brané do úvahy a veci, ktoré sa menia v priebehu času, spravidla veci zlepšia komplikované.

Hovorí sa, že má hladký prúd kvapaliny laminárne prúdenie. Hovorí sa, že tok, ktorý obsahuje zdanlivo chaotický, nelineárny pohyb, má turbulentný tok. Podľa definície je turbulentný tok typom nestabilného toku.

Oba typy tokov môžu obsahovať víry, víry a rôzne typy recirkulácie, hoci čím viac takýchto správaní existuje, tým je pravdepodobnejšie, že tok bude klasifikovaný ako turbulentný.

Rozdiel medzi tým, či je tok laminárny alebo turbulentný, obvykle súvisí s Reynoldsovo číslo (re). Reynoldsovo číslo bolo prvýkrát vypočítané v roku 1951 fyzikom Georgom Gabriel Stokesom, ale je pomenované po vedcovi 19. storočia Osbornom Reynoldsovi.

Reynoldsovo číslo závisí nielen od špecifík samotnej tekutiny, ale aj od podmienok jej toku, odvodených ako pomer zotrvačných síl k viskóznym silám takto:

re = Inerciálna sila / viskózne sily

re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Termín dV / dx je gradient rýchlosti (alebo prvej derivácie rýchlosti), ktorý je úmerný rýchlosti (V) deleno L, čo predstavuje stupnicu dĺžky, výsledkom čoho je dV / dx = V / l. Druhý derivát je taký, že d²V / dx² = V / L². Nahradenie týchto derivátov prvou a druhou deriváciou vedie k:

re = (VV V/L) / (μV/L²)

Re = (VV L) / μ

Môžete tiež rozdeliť pomocou mierky dĺžky L, čo vedie k a Reynolds počet na stopu, označené ako Re f = V / ν.

Nízke Reynoldsovo číslo znamená hladký laminárny tok. Vysoké Reynoldsovo číslo znamená tok, ktorý bude demonštrovať víry a víry a bude všeobecne turbulentnejší.

Tok potrubia predstavuje prúd, ktorý je v kontakte s pevnými hranicami na všetkých stranách, ako napríklad voda pretekajúca potrubím (odtiaľ názov „tok potrubia“) alebo vzduch pohybujúci sa vzduchovým potrubím.

Tok otvorených kanálov opisuje tok v iných situáciách, keď existuje aspoň jeden voľný povrch, ktorý nie je v kontakte s pevným ohraničením. (Z technického hľadiska má voľný povrch 0 rovnobežného strmého napätia.) Medzi ne patria toky s otvoreným kanálom voda tečúca cez rieku, povodne, voda tečúca počas dažďa, prílivové prúdy a zavlažovacie kanály. V týchto prípadoch predstavuje povrch tečúcej vody, kde je voda v kontakte so vzduchom, „voľný povrch“ toku.

Prietoky v potrubí sú poháňané tlakom alebo gravitáciou, ale toky v situáciách s otvoreným kanálom sú poháňané výlučne gravitáciou. Mestské vodné systémy často využívajú vodné veže, aby to využili, takže výškový rozdiel vody vo veži ( hydrodynamická hlava) vytvára tlakový rozdiel, ktorý sa potom upraví pomocou mechanických čerpadiel, aby sa voda dostala na miesta v systéme, kde sú potrebné.

S plynmi sa všeobecne zaobchádza ako so stlačiteľnými tekutinami, pretože objem, ktorý ich obsahuje, sa dá zmenšiť. Vzduchovod môže byť zmenšený o polovicu veľkosti a stále mať rovnaké množstvo plynu rovnakou rýchlosťou. Aj keď plyn prúdi vzduchovým potrubím, niektoré regióny budú mať vyššiu hustotu ako iné regióny.

Všeobecne platí, že nestlačiteľnosť znamená, že hustota akejkoľvek oblasti tekutiny sa nemení ako funkcia času, keď sa pohybuje v prúde. Kvapaliny sa môžu samozrejme tiež stlačiť, ale je tu väčšie obmedzenie množstva stlačenia, ktoré sa môže uskutočniť. Z tohto dôvodu sú kvapaliny typicky modelované, akoby boli nestlačiteľné.

Bernoulliho princíp je ďalším kľúčovým prvkom dynamiky tekutín, uverejneným v knihe Daniela Bernoulliho z roku 1738 Hydrodynamika. Jednoducho povedané, týka sa to zvýšenia rýchlosti kvapaliny a zníženia tlaku alebo potenciálnej energie. V prípade nestlačiteľných tekutín sa to dá opísať pomocou tzv Bernoulliho rovnica:

(proti²/2) + gz + p/ρ = konštantná

Kde g je zrýchlenie spôsobené gravitáciou, ρ je tlak v kvapaline, proti je rýchlosť toku tekutiny v danom bode, z je výška v tomto bode a p je tlak v tomto bode. Pretože je to v rámci tekutiny konštantné, znamená to, že tieto rovnice môžu vzťahovať ktorékoľvek dva body 1 a 2 s nasledujúcou rovnicou:

(proti₁²/2) + gz₁ + p₁/ρ = (proti₂²/2) + gz₂ + p₂/ρ

Vzťah medzi tlakom a potenciálnou energiou kvapaliny na základe nadmorskej výšky tiež súvisí prostredníctvom Pascalovho zákona.

Dve tretiny zemského povrchu sú voda a planéta je obklopená vrstvami atmosféry, takže sme doslova obklopení tekutinami... takmer vždy v pohybe.

Keď o tom trochu premýšľame, je celkom zrejmé, že by sme mali veľa interakcií pohybujúcich sa tekutín, aby sme mohli vedecky študovať a porozumieť im. To je miesto, kde dynamika tekutín prichádza, samozrejme, takže nie je nedostatok polí, ktoré používajú koncepty z dynamiky tekutín.

Tento zoznam nie je vyčerpávajúci, ale poskytuje dobrý prehľad o spôsoboch, akými sa dynamika tekutín objavuje pri štúdiu fyziky v rôznych špecializáciách:

• Oceánografia, meteorológia a klimatická veda - Keďže atmosféra je modelovaná ako tekutiny, štúdium atmosférických vied a morské prúdy, rozhodujúce pre pochopenie a predpovedanie počasia a klimatických trendov, sa vo veľkej miere spolieha na dynamiku tekutín.
• aeronautika - Fyzika dynamiky tekutín zahŕňa štúdium prúdenia vzduchu za účelom vytvorenia odporu a zdvihu, čo zase vytvára sily, ktoré umožňujú ťažší let ako vzduch.
• Geológia a geofyzika - Dosková tektonika zahŕňa štúdium pohybu zahrievanej hmoty v tekutom jadre Zeme.
• Hematológia a hemodynamika -Biologická štúdia krvi zahŕňa štúdium jej cirkulácie krvnými cievami a krvný obeh sa dá modelovať pomocou metód dynamiky tekutín.
• Fyzika plazmy - Aj keď nie je to tekutina ani plyn, plazma často sa správajú spôsobmi, ktoré sú podobné tekutinám, takže ich možno modelovať aj pomocou dynamiky tekutín.
• Astrofyzika a kozmológia - Proces hviezdnej evolúcie zahŕňa zmenu hviezd v priebehu času, čo možno pochopiť študovaním toho, ako plazma, ktorá tvorí hviezdy, prúdi a interaguje v hviezdach v priebehu času.
• Analýza prevádzky - Jednou z najprekvapivejších aplikácií dynamiky tekutín je pochopenie pohybu dopravy, automobilovej aj pešej. V oblastiach, v ktorých je prevádzka dostatočne hustá, sa s celým telom dopravy dá zaobchádzať ako s jednou entitou, ktorá sa správa spôsobom, ktorý je zhruba dosť podobný toku tekutiny.

Dynamika tekutín sa niekedy označuje aj ako hydrodynamiky, hoci ide skôr o historický pojem. V priebehu dvadsiateho storočia sa výraz „dynamika tekutín“ používa oveľa častejšie.

Z technického hľadiska by bolo vhodnejšie povedať, že hydrodynamika je vtedy, keď sa dynamika tekutín aplikuje na tekutiny v pohybe a aerodynamika je, keď sa dynamika tekutín aplikuje na plyny v pohybe.

V praxi však špecializované témy, ako je hydrodynamická stabilita a magnetohydrodynamika, používajú „hydro-“ predponu, aj keď tieto pojmy uplatňujú na pohyb plynov.