Vedeliku dünaamika mõistmine

Vedeliku dünaamika on vedelike liikumise uurimine, sealhulgas nende koostoime, kui kaks vedelikku puutuvad üksteisega kokku. Selles kontekstis viitab mõiste "vedelik" kummalegi vedelik või gaasid. See on makroskoopiline statistiline lähenemisviis nende interaktsioonide laiaulatuslikuks analüüsimiseks, vedelike vaatamiseks aine pidevuseks ja ignoreerides üldiselt asjaolu, et vedelik või gaas koosneb üksikisikust aatomid.

Vedeliku dünaamika on üks kahest peamisest harust vedeliku mehaanika, kusjuures teine ​​haru on vedel staatika, vedelike uurimine puhkeasendis. (Võib-olla pole üllatav, et vedeliku staatikat võib enamasti mõelda natuke vähem põnevaks kui vedeliku dünaamikat.)

Iga distsipliin hõlmab mõisteid, mis on üliolulised selle toimimise mõistmiseks. Siin on mõned peamised, millega kokku puutute, kui proovite mõista vedeliku dünaamikat.

Liikuva vedeliku uurimisel tulevad mängu ka vedeliku staatikas kehtivad vedeliku mõisted. Vedeliku mehaanika kõige varasem kontseptsioon on see

Kui vedelikud voolavad, tihedus ja surve vedelikest on samuti olulised, et mõista, kuidas nad suhelda saavad. viskoossus määrab kindlaks, kui vastupidav on vedeliku muutus, seega on see oluline ka vedeliku liikumise uurimisel. Siin on mõned muutujad, mis nendes analüüsides esile tulevad:

• Massviskoossus: μ
• Tihedus: ρ
• Kinemaatiline viskoossus: ν = μ / ρ

Kuna vedeliku dünaamika hõlmab vedeliku liikumise uurimist, on üks esimesi mõisteid, mida tuleb mõista, kuidas füüsikud seda liikumist kvantifitseerivad. Mõiste, mida füüsikud kasutavad vedeliku liikumise füüsikaliste omaduste kirjeldamiseks, on voolama. Vooluhulk kirjeldab mitmesuguseid vedeliku liikumisi, näiteks õhu puhumist, toru kaudu voolamist või pinna kulgemist. Vedeliku vool liigitatakse voolu erinevatele omadustele tuginedes väga erineval viisil.

Kui vedeliku liikumine aja jooksul ei muutu, loetakse see a-ks ühtlane vool. Selle määrab olukord, kus kõik voolu omadused püsivad aja suhtes muutumatuna või saab vaheldumisi rääkida, öeldes, et vooluvälja ajatuletised kaovad. (Tuletisinstrumentide mõistmise kohta saate lisateavet.)

A püsiseisundi vool on veelgi vähem ajast sõltuv, kuna kõik vedeliku omadused (mitte ainult vooluomadused) püsivad vedeliku igas punktis konstantsena. Nii et kui teil oleks püsiv vooluhulk, kuid vedeliku enda omadused muutuvad mingil hetkel (võib-olla selle tõttu) barjäär, mis põhjustab vedeliku mõnes osas ajast sõltuvaid kortsusid), siis oleks teil püsiv vool, mis on mitte püsiseisundi voog.

Kõik püsiseisundi vood on siiski näited püsivoolude kohta. Püsiva voolu (ja ka ühtlase voolu) näide on sirge toru kaudu konstantsel kiirusel voolav vool.

Kui voolul endal on omadused, mis aja jooksul muutuvad, siis nimetatakse seda vooluks ebastabiilne vool või a mööduv vool. Tormi ajal vihma, mis voolab vihmaveerennidesse, on näide ebakindlast voolust.

Üldreeglina muudavad ühtlased voolud probleemide lahendamise lihtsamaks kui ebapüsivad voolud - just seda võiks eeldada, et ajas sõltuvaid muutusi voos ei pea arvestama ja aja jooksul muutuvad asjad teevad asju tavaliselt veelgi keeruline.

Väidetavalt on vedelik sujuv laminaarvoolus. Öeldakse, et vool, mis sisaldab näiliselt kaootilist, mittelineaarset liikumist turbulentne vool. Turbulentne vool on määratluse kohaselt ebastabiilse voolu tüüp.

Mõlemat tüüpi voolud võivad sisaldada pööriseid, keeristorusid ja erinevat tüüpi retsirkulatsiooni, ehkki mida rohkem sellist käitumist esineb, seda tõenäolisemalt liigitatakse vooluhulk turbulentseks.

Erinevus selle vahel, kas vooluhulk on laminaarne või turbulentne, on tavaliselt seotud vooluhulgaga Reynoldsi number (Re). Reynoldsi arvu arvutas esmakordselt 1951. aastal füüsik George Gabriel Stokes, kuid see on oma nime saanud 19. sajandi teadlase Osborne Reynoldsi järgi.

Reynoldsi arv ei sõltu mitte ainult vedeliku iseärasustest, vaid ka selle voolu tingimustest, mis tuletatakse inertsjõudude ja viskoossete jõudude suhtena järgmisel viisil:

Re = Inertsjõud / viskoosne jõud

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Mõiste dV / dx on kiiruse gradient (või kiiruse esimene tuletis), mis on võrdeline kiirusega (V) jagatuna L, mis esindab pikkusskaalat, mille tulemuseks on dV / dx = V / L. Teine tuletis on selline, et d²V / dx² = V / L². Nende asendamine esimese ja teise derivaadiga annab tulemuseks:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Võite ka pikkusskaala L järgi jagada, mille tulemuseks on a Reinoldsi arv ühe jala kohta, tähistatud kui Re f = V / ν.

Madal Reynoldsi arv näitab sujuvat laminaarset voolu. Kõrge Reynoldsi arv näitab voolu, mis näitab pööriseid ja pööriseid ning on üldiselt turbulentsem.

Torude voog tähistab voolu, mis on kõigist külgedest kokkupuutes jäikade piiridega, nagu näiteks toru kaudu liikuv vesi (sellest ka nimetus "toruvool") või õhukanali kaudu liikuv õhk.

Avatud kanaliga voog kirjeldab voolu teistes olukordades, kus on vähemalt üks vaba pind, mis ei ole kokkupuutes jäikade piiridega. (Tehnilises mõttes on vabal pinnal 0 paralleelset õhukest pinget.) Avatud kanaliga voolu juhtumid hõlmavad järgmist jõest liikuv vesi, üleujutused, vihma ajal voolav vesi, loodevoolud ja niisutuskanalid. Nendel juhtudel tähistab voolava vee pind, kus vesi puutub kokku õhuga, voolu "vaba pinda".

Voolusid torus juhitakse kas rõhu või raskusjõu mõjul, kuid avatud kanaliga olukordades voolab ainult voolujõud. Linna veesüsteemid kasutavad selle ärakasutamiseks sageli veetorne, nii et torni vee kõrguse erinevus ( hüdrodünaamiline pea) loob rõhuerinevuse, mida seejärel reguleeritakse mehaaniliste pumpadega, et vesi saaks süsteemi kohtadesse, kus neid vajatakse.

Gaase töödeldakse tavaliselt kokkusurutavate vedelikena, kuna neid sisaldavat mahtu saab vähendada. Õhukanalit saab vähendada poole väiksemaks ja see viib sama koguse gaasi ikkagi sama kiirusega. Isegi kui gaas voolab läbi õhukanali, on mõnes piirkonnas suurem tihedus kui teistes piirkondades.

Üldreeglina tähendab kokkusurumatu olek seda, et vedeliku mis tahes piirkonna tihedus ei muutu ajafunktsioonina, kuna see liigub läbi voolu. Muidugi saab vedelikke ka kokku suruda, kuid pakutavate materjalide hulk on rohkem piiratud. Sel põhjusel modelleeritakse vedelikud tavaliselt nii, nagu need oleksid kokkusurumatud.

Bernoulli põhimõte on veel üks vedeliku dünaamika võtmeelement, avaldatud Daniel Bernoulli 1738. aasta raamatus Hüdrodünaamika. Lihtsamalt öeldes seob see vedeliku kiiruse suurenemist rõhu või potentsiaalse energia vähenemisega. Kokkusurutamatute vedelike puhul võib seda kirjeldada, kasutades nn Bernoulli võrrand:

(v²/2) + gz + lk/ρ = konstantne

Kus g on gravitatsioonist tulenev kiirendus, ρ on kogu vedeliku rõhk, v on vedeliku voolukiirus konkreetses punktis, z on kõrgus sellel hetkel ja lk on rõhk sellel hetkel. Kuna see on vedeliku piires konstantne, tähendab see, et need võrrandid võivad seostada suvalist kahte punkti, 1 ja 2, järgmise võrrandiga:

(v₁²/2) + gz₁ + lk₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + lk₂/ρ

Pascali seaduse kaudu on seotud ka tõusul põhineva vedeliku rõhu ja potentsiaalse energia suhe.

Kaks kolmandikku Maa pinnast on vesi ja planeet on ümbritsetud atmosfääri kihtidega, nii et meid ümbritsevad sõna otseses mõttes kogu aeg vedelikud... peaaegu alati liikumises.

Pisut järele mõeldes teeb see üsna ilmseks, et meie jaoks oleks palju liikuvate vedelike koostoimeid, et neid teaduslikult uurida ja mõista. Muidugi tuleb sinna sisse vedeliku dünaamika, nii et vedelike dünaamikast pärit mõisteid rakendavatest väljadest ei puudu.

See loetelu pole sugugi ammendav, kuid annab hea ülevaate viisidest, kuidas vedeliku dünaamika ilmub füüsika uurimisel erinevatel erialadel:

• Okeanograafia, meteoroloogia ja kliimateadus - Kuna atmosfääri modelleeritakse vedelikena, on õhuteaduse ja ookeani hoovused, mis on ilmastikuolude ja kliimasuundumuste mõistmiseks ja prognoosimiseks ülioluline, sõltub suuresti vedeliku dünaamikast.
• Lennundus - Vedeliku dünaamika füüsika hõlmab õhuvoolu uurimist, et tekitada tõmbe- ja tõstejõudu, mis omakorda genereerib jõud, mis võimaldavad õhust raskemat lendu.
• Geoloogia ja geofüüsika - Plaatide tektoonika hõlmab kuumutatud aine liikumise uurimist Maa vedelas tuumas.
• Hematoloogia ja Hemodünaamika -Vere bioloogiline uuring hõlmab selle vereringe uurimist läbi veresoonte ja vereringet saab modelleerida vedeliku dünaamika meetodite abil.
• Plasmafüüsika - kuigi ei vedelik ega gaas, plasma käitub sageli vedelikega sarnastel viisidel, nii et seda saab modelleerida ka vedeliku dünaamika abil.
• Astrofüüsika ja kosmoloogia - Tähe evolutsiooniprotsess hõlmab tähtede muutumist aja jooksul, mida saab mõista uurides, kuidas tähtede moodustav plasma aja jooksul tähe sees voolab ja suhestub.
• Liikluse analüüs - Võib-olla on üks kõige üllatavamaid vedeliku dünaamika rakendusi liikluse, nii sõidukite kui ka jalakäijate liikumise mõistmisel. Piirkondades, kus liiklus on piisavalt tihe, võib kogu liiklust käsitleda ühe tervikuna, mis käitub vedeliku vooluga piisavalt sarnastel viisidel.

Vedeliku dünaamikat nimetatakse mõnikord ka hüdrodünaamika, kuigi see on rohkem ajalooline termin. Kahekümnenda sajandi jooksul hakati palju sagedamini kasutama fraasi "vedeliku dünaamika".

Tehniliselt oleks õigem öelda, et hüdrodünaamika on see, kui vedeliku dünaamikat rakendatakse liikuvatele ja aerodünaamika on siis, kui liikuvatele gaasidele rakendatakse vedeliku dünaamikat.

Praktikas kasutavad sellised spetsiifilised teemad nagu hüdrodünaamiline stabiilsus ja magnetohüdrodünaamika eesliidet "hüdro-" isegi siis, kui nad rakendavad neid mõisteid gaaside liikumisel.