Κατανόηση του τι είναι Fluid Dynamics

Η δυναμική των υγρών είναι η μελέτη της κίνησης των υγρών, συμπεριλαμβανομένων των αλληλεπιδράσεών τους, καθώς δύο ρευστά έρχονται σε επαφή μεταξύ τους. Σε αυτό το πλαίσιο, ο όρος "υγρό" αναφέρεται σε δύο υγρού ή αερίων. Πρόκειται για μια μακροσκοπική, στατιστική προσέγγιση για την ανάλυση αυτών των αλληλεπιδράσεων σε μεγάλη κλίμακα, με την εξέταση των υγρών ως συνέχεια της ύλης και γενικά αγνοώντας το γεγονός ότι το υγρό ή το αέριο αποτελείται από άτομο άτομα.

Η δυναμική των υγρών είναι ένας από τους δύο κύριους κλάδους του μηχανική ρευστών, με το άλλο κλάδο να είναι υγρή στατική, τη μελέτη υγρών σε ηρεμία. (Ίσως να μην προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα ρευστά στατικά μπορούν να θεωρηθούν ως λίγο λιγότερο συναρπαστικά τις περισσότερες φορές από τη δυναμική των ρευστών).

Κάθε πειθαρχία περιλαμβάνει έννοιες που είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του. Εδώ είναι μερικά από τα κύρια που θα συναντήσετε όταν προσπαθείτε να καταλάβετε τη δυναμική της ροής.

Οι έννοιες των ρευστών που εφαρμόζονται στην στατική ροή του υγρού έρχονται επίσης σε λειτουργία κατά τη μελέτη του υγρού που βρίσκεται σε κίνηση. Πάρα πολύ η αρχαιότερη ιδέα στη μηχανική υγρών είναι αυτή της πλευστότητα, ανακαλύφθηκε στο αρχαία Ελλάδα από τον Αρχιμήδη.

Καθώς τα υγρά ρέουν, το πυκνότητα και πίεση των υγρών είναι επίσης ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο θα αλληλεπιδρούν. ο ιξώδες καθορίζει πόσο ανθεκτικό το υγρό είναι να αλλάξει, έτσι είναι επίσης απαραίτητο για τη μελέτη της κίνησης του υγρού. Εδώ είναι μερικές από τις μεταβλητές που προκύπτουν σε αυτές τις αναλύσεις:

• Ιξώδες χύδην: μ
• Πυκνότητα: ρ
• Κινηματικό ιξώδες: ν = μ / ρ

Δεδομένου ότι η δυναμική των υγρών περιλαμβάνει τη μελέτη της κίνησης του υγρού, μία από τις πρώτες έννοιες που πρέπει να κατανοηθεί είναι ο τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί ποσοτικοποιούν αυτή την κίνηση. Ο όρος που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να περιγράψουν τις φυσικές ιδιότητες της κίνησης του υγρού είναι ροή. Η ροή περιγράφει ένα ευρύ φάσμα της κίνησης του ρευστού, όπως φυσώντας στον αέρα, ρέοντας μέσω ενός σωλήνα ή τρέχοντας κατά μήκος μιας επιφάνειας. Η ροή ενός ρευστού ταξινομείται με διάφορους τρόπους, με βάση τις διάφορες ιδιότητες της ροής.

Εάν η κίνηση του ρευστού δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, θεωρείται α σταθερή ροή. Αυτό καθορίζεται από μια κατάσταση όπου όλες οι ιδιότητες της ροής παραμένουν σταθερές σε σχέση με το χρόνο ή εναλλάξ μπορεί να μιλήσει λέγοντας ότι τα χρονικά παράγωγα του πεδίου ροής εξαφανίζονται. (Δείτε τον υπολογισμό για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την κατανόηση των παραγώγων.)

ΕΝΑ ροή σταθερής κατάστασης είναι ακόμη λιγότερο εξαρτημένο από το χρόνο, διότι όλες οι ιδιότητες υγρού (όχι μόνο οι ιδιότητες ροής) παραμένουν σταθερές σε κάθε σημείο του υγρού. Έτσι εάν είχατε σταθερή ροή, αλλά οι ιδιότητες του ίδιου του υγρού άλλαξαν σε κάποιο σημείο (πιθανώς λόγω του ένα φράγμα που προκαλεί εξαρτώμενες από το χρόνο κυματισμούς σε ορισμένα μέρη του υγρού), τότε θα έχετε μια σταθερή ροή που είναι δεν μια ροή σταθερής κατάστασης.

Όλες οι ροές σταθερής κατάστασης είναι παραδείγματα σταθερών ροών. Ένα ρεύμα που ρέει με σταθερό ρυθμό μέσω ενός ευθύγραμμου σωλήνα θα είναι ένα παράδειγμα ροής σταθερής κατάστασης (και επίσης σταθερής ροής).

Αν η ίδια η ροή έχει ιδιότητες που αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, τότε καλείται a ασταθής ροή ή α μεταβατική ροή. Η βροχή που ρέει σε μια υδρορροή κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας είναι ένα παράδειγμα αστάθειας ροής.

Κατά γενικό κανόνα, οι σταθερές ροές καθιστούν ευκολότερα προβλήματα για την αντιμετώπιση των ασταθών ροών, κάτι που θα περίμενε κανείς, δεδομένου ότι οι αλλαγές που εξαρτώνται από το χρόνο στη ροή δεν πρέπει να ληφθούν υπόψη και τα πράγματα που αλλάζουν με το πέρασμα του χρόνου θα κάνουν συνήθως τα πράγματα περισσότερο περίπλοκος.

Μια ομαλή ροή υγρού λέγεται ότι έχει ελασματοειδής ροή. Η ροή που περιέχει φαινομενικά χαοτική, μη γραμμική κίνηση λέγεται ότι έχει τυρβώδη ροή. Εξ ορισμού, μια τυρβώδης ροή είναι ένας τύπος αστάθειας ροής.

Και οι δύο τύποι ροών μπορεί να περιέχουν δονήσεις, δίνες και διάφορους τύπους ανακυκλοφορίας, αν και οι περισσότερες από αυτές τις συμπεριφορές υπάρχουν, τόσο πιο πιθανό είναι να χαρακτηριστεί η ροή ως τυρβώδης.

Η διάκριση μεταξύ του εάν μια ροή είναι στρωτή ή τυρβώδης σχετίζεται συνήθως με το Ο αριθμός Reynolds (Σχετικά με). Ο αριθμός Reynolds υπολογίστηκε για πρώτη φορά το 1951 από τον φυσικό George Gabriel Stokes, αλλά ονομάστηκε από τον επιστήμονα του 19ου αιώνα Osborne Reynolds.

Ο αριθμός Reynolds εξαρτάται όχι μόνο από τις ιδιαιτερότητες του ίδιου του υγρού αλλά και από τις συνθήκες της ροής του, που προκύπτουν ως λόγος αδρανειακών δυνάμεων προς ιξώδεις δυνάμεις με τον ακόλουθο τρόπο:

Σχετικά με = Αδρανειακή δύναμη / Ιξώδεις δυνάμεις

Σχετικά με = (ρVdV/dx) / (μ ρε²V / dx²)

Ο όρος dV / dx είναι η κλίση της ταχύτητας (ή του πρώτου παραγώγου της ταχύτητας), η οποία είναι ανάλογη με την ταχύτητα (V) διαιρούμενο με μεγάλο, που αντιπροσωπεύει κλίμακα μήκους, με αποτέλεσμα το dV / dx = V / L. Το δεύτερο παράγωγο είναι τέτοιο που δ²V / dx² = V / L². Αντικαθιστώντας αυτά για το πρώτο και το δεύτερο παράγωγο, προκύπτουν:

Σχετικά με = (ρ V V/μεγάλο) / (μ V/μεγάλο²)

Re = (ρ V L) / μ

Μπορείτε επίσης να διαχωρίσετε από τη κλίμακα μήκους L, με αποτέλεσμα a Αριθμός Reynolds ανά πόδι, που ορίζονται ως Re f = V / ν.

Ένας χαμηλός αριθμός Reynolds δείχνει ομαλή, στρωτή ροή. Ένας υψηλός αριθμός Reynolds υποδεικνύει μια ροή που πρόκειται να επιδείξει δονήσεις και δίνες και γενικά θα είναι πιο ταραχώδης.

Ροή σωλήνων αντιπροσωπεύει μια ροή που έρχεται σε επαφή με άκαμπτα όρια σε όλες τις πλευρές, όπως το νερό που κινείται μέσω ενός σωλήνα (εξ ου και η ονομασία "ροή του σωλήνα") ή ο αέρας που κινείται μέσω ενός αγωγού αέρα.

Ροή ανοιχτού καναλιού περιγράφει τη ροή σε άλλες καταστάσεις όπου υπάρχει τουλάχιστον μία ελεύθερη επιφάνεια που δεν έρχεται σε επαφή με άκαμπτο όριο. (Από τεχνική άποψη, η ελεύθερη επιφάνεια έχει 0 παράλληλη τάση.) Περιλαμβάνονται περιπτώσεις ροής ανοικτού καναλιού το νερό που διέρχεται από ποτάμι, τις πλημμύρες, το νερό που ρέει κατά τη βροχή, τα παλιρροιακά ρεύματα και τα κανάλια άρδευσης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η επιφάνεια του ρέοντος νερού, όπου το νερό έρχεται σε επαφή με τον αέρα, αντιπροσωπεύει την «ελεύθερη επιφάνεια» της ροής.

Οι ροές σε ένα σωλήνα οδηγούνται είτε από πίεση είτε από τη βαρύτητα, αλλά οι ροές σε καταστάσεις ανοιχτού καναλιού οδηγούνται αποκλειστικά από τη βαρύτητα. Τα συστήματα πόλεων συχνά χρησιμοποιούν πύργους νερού για να επωφεληθούν από αυτό, έτσι ώστε η διαφορά ύψους του νερού στον πύργο (το υδροδυναμική κεφαλή) δημιουργεί μια διαφορά πίεσης, η οποία στη συνέχεια ρυθμίζεται με μηχανικές αντλίες για να πάρει νερό στις θέσεις του συστήματος όπου χρειάζονται.

Τα αέρια γενικά αντιμετωπίζονται ως συμπιέσιμα ρευστά επειδή ο όγκος που τους περιέχει μπορεί να μειωθεί. Ένας αεραγωγός μπορεί να μειωθεί κατά το ήμισυ του μεγέθους και να φέρει ακόμα την ίδια ποσότητα αερίου με τον ίδιο ρυθμό. Ακόμη και όταν το αέριο ρέει μέσω του αεραγωγού, ορισμένες περιοχές θα έχουν υψηλότερες πυκνότητες από άλλες περιοχές.

Κατά γενικό κανόνα, η μη συμπιεστικότητα σημαίνει ότι η πυκνότητα οποιασδήποτε περιοχής του ρευστού δεν αλλάζει συναρτήσει του χρόνου καθώς κινείται μέσω της ροής. Τα υγρά μπορούν επίσης να συμπιεστούν, φυσικά, αλλά υπάρχει ένας περιορισμός για το μέγεθος της συμπίεσης που μπορεί να γίνει. Για το λόγο αυτό, τα υγρά τυπικά μοντελοποιούνται σαν να ήταν ασυμπίεστα.

Αρχή της Bernoulli είναι ένα άλλο βασικό στοιχείο της δυναμικής των υγρών, που δημοσιεύτηκε στο βιβλίο του 1738 του Daniel Bernoulli Υδροδυναμική. Με απλά λόγια, αναφέρεται η αύξηση της ταχύτητας σε ένα υγρό σε μια μείωση της πίεσης ή της δυναμικής ενέργειας. Για τα ασυμπίεστα ρευστά, αυτό μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας αυτό που είναι γνωστό ως Η εξίσωση του Bernoulli:

(v²/2) + gz + Π/ρ = σταθερή

Που σολ είναι η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα, ρ είναι η πίεση σε όλο το υγρό, v είναι η ταχύτητα ροής ρευστού σε ένα δεδομένο σημείο, z είναι η ανύψωση σε εκείνο το σημείο και Π είναι η πίεση σε αυτό το σημείο. Επειδή αυτό είναι σταθερό μέσα σε ένα ρευστό, αυτό σημαίνει ότι αυτές οι εξισώσεις μπορούν να σχετίζονται με οποιαδήποτε δύο σημεία, 1 και 2, με την ακόλουθη εξίσωση:

(v₁²/2) + gz₁ + Π₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + Π₂/ρ

Η σχέση μεταξύ πίεσης και πιθανής ενέργειας ενός υγρού με βάση την ανύψωση σχετίζεται επίσης μέσω του νόμου Pascal.

Τα δύο τρίτα της επιφάνειας της Γης είναι νερό και ο πλανήτης περιβάλλεται από στρώματα ατμόσφαιρας, γι 'αυτό κυριολεκτικά περιβάλλεται από υγρά... σχεδόν πάντα σε κίνηση.

Σκεπτόμενος λίγο, αυτό κάνει αρκετά προφανές ότι θα υπήρχαν πολλές αλληλεπιδράσεις των κινούμενων υγρών για να μελετήσουμε και να κατανοήσουμε επιστημονικά. Εκεί φυσικά εισέρχεται ρευστό δυναμικό, οπότε δεν υπάρχει έλλειψη πεδίων που να εφαρμόζουν έννοιες από τη δυναμική των υγρών.

Αυτός ο κατάλογος δεν είναι καθόλου εξαντλητικός, αλλά παρέχει μια καλή επισκόπηση των τρόπων με τους οποίους η δυναμική των υγρών εμφανίζεται στη μελέτη της φυσικής σε ένα φάσμα ειδικοτήτων:

• Ωκεανογραφία, Μετεωρολογία & Κλιματική Επιστήμη - Δεδομένου ότι η ατμόσφαιρα διαμορφώνεται ως υγρά, η μελέτη της ατμοσφαιρικής επιστήμης και της Ωκεάνια ρεύματα, που είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση και την πρόβλεψη των καιρικών συνθηκών και των κλιματικών τάσεων, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δυναμική των υγρών.
• Αεροναυτική - Η φυσική της δυναμικής ρευστών περιλαμβάνει τη μελέτη της ροής του αέρα για να δημιουργήσει οπισθέλκουσα και ανύψωση, που με τη σειρά του παράγει τις δυνάμεις που επιτρέπουν πτήση βαρύτερα από τον αέρα.
• Γεωλογία & Γεωφυσική - Τεκτονικές πλάκες περιλαμβάνει τη μελέτη της κίνησης της θερμαινόμενης ύλης μέσα στον υγρό πυρήνα της Γης.
• Αιματολογία & Αιμοδυναμική -Η βιολογική μελέτη του αίματος περιλαμβάνει τη μελέτη της κυκλοφορίας του μέσω των αιμοφόρων αγγείων και η κυκλοφορία του αίματος μπορεί να διαμορφωθεί χρησιμοποιώντας τις μεθόδους της δυναμικής των υγρών.
• Φυσική πλάσματος - Αν και δεν είναι ούτε υγρό ούτε αέριο, πλάσμα αίματος συχνά συμπεριφέρεται με τρόπους που είναι παρόμοιοι με τα υγρά, οπότε μπορεί επίσης να διαμορφωθεί χρησιμοποιώντας δυναμική ρευστού.
• Αστροφυσική & Κοσμολογία - Η διαδικασία της αστρικής εξέλιξης περιλαμβάνει την αλλαγή των αστεριών με την πάροδο του χρόνου, η οποία μπορεί να γίνει κατανοητή με τη μελέτη του πώς το πλάσμα που συνθέτει τα αστέρια ρέει και αλληλεπιδρά μέσα στο αστέρι με την πάροδο του χρόνου.
• Ανάλυση κυκλοφορίας - Ίσως μια από τις πιο εκπληκτικές εφαρμογές της δυναμικής ρευστών είναι η κατανόηση της κίνησης της κυκλοφορίας τόσο της κυκλοφορίας των οχημάτων όσο και των πεζών. Σε περιοχές όπου η κυκλοφορία είναι αρκετά πυκνή, ολόκληρο το σώμα της κυκλοφορίας μπορεί να αντιμετωπιστεί ως μία ενιαία οντότητα που συμπεριφέρεται με τρόπους που είναι κατά προσέγγιση αρκετά παρόμοιοι με τη ροή ενός υγρού.

Η δυναμική των υγρών αναφέρεται επίσης μερικές φορές ως υδροδυναμική, αν και αυτό είναι περισσότερο ιστορικός όρος. Κατά τη διάρκεια του εικοστού αιώνα, η φράση "δυναμική των υγρών" έγινε πολύ πιο συνηθισμένη.

Από τεχνική άποψη, θα ήταν πιο ενδεδειγμένο να πούμε ότι η υδροδυναμική είναι όταν εφαρμόζεται υγρή δυναμική σε υγρά σε κίνηση και αεροδυναμική είναι όταν η δυναμική της ροής εφαρμόζεται στα αέρια σε κίνηση.

Ωστόσο, στην πράξη, εξειδικευμένα θέματα όπως η υδροδυναμική σταθερότητα και τα μαγνητοϋδροδυναμικά χρησιμοποιούν το πρόθεμα «υδρο-» ακόμη και όταν εφαρμόζουν αυτές τις έννοιες στην κίνηση αερίων.