Razumijevanje što je dinamika fluida

Dinamika fluida je proučavanje kretanja fluida, uključujući i njihovu interakciju jer dvije tekućine dolaze u međusobni kontakt. U tom se smislu izraz "tekućina" odnosi na bilo koji tekućina ili plinovi. To je makroskopski, statistički pristup analizi ove interakcije u velikom obimu, promatranja tekućina kao kontinuitet materije i općenito zanemarujući činjenicu da se tekućina ili plin sastoje od jedinki atoma.

Dinamika fluida jedna je od dvije glavne grane mehanika fluida, s tim da je druga grana statika fluida, ispitivanje tekućina u mirovanju. (Možda nije iznenađujuće, većinu vremena se statikom fluida može smatrati malo manje uzbudljivom od dinamike fluida.)

Svaka disciplina uključuje koncepte koji su ključni za razumijevanje načina na koji djeluje. Evo nekih glavnih na koje ćete naići kad pokušavate razumjeti dinamiku tekućine.

Koncepti fluida koji se primjenjuju u statičnosti fluida također dolaze u obzir pri proučavanju fluida koji je u pokretu. Prilično rani koncept mehanike tekućina je onaj od

Kako tekućina teče, gustoća i pritisak tekućine su također ključne za razumijevanje interakcije. viskoznost određuje otpornost tekućine na promjene, tako da je ključno i za proučavanje kretanja tekućine. Evo nekoliko varijabli koje se javljaju u ovim analizama:

• Nasutna viskoznost: μ
• Gustoća: ρ
• Kinematička viskoznost: ν = μ / ρ

Budući da dinamika fluida uključuje proučavanje gibanja fluida, jedan od prvih koncepata koji se mora razumjeti je kako fizičari kvantitativno određuju taj pokret. Izraz koji fizičari koriste da opišu fizikalna svojstva kretanja tekućine je teći. Protok opisuje širok raspon kretanja tekućine, poput puhanja kroz zrak, strujanja kroz cijev ili strujanja po površini. Protok jedne tekućine klasificiran je na više različitih načina, na temelju različitih svojstava protoka.

Ako se kretanje tekućine ne mijenja s vremenom, smatra se a stalni protok. To je određeno situacijom kada sva svojstva toka ostaju stalna s obzirom na vrijeme ili se mogu naizmjenično govoriti govoreći da vremenski derivati ​​polja protoka nestaju. (Pogledajte račun za više informacija o razumijevanju derivata.)

protok ustaljenog stanja još manje ovisi o vremenu jer sva svojstva fluida (ne samo svojstva protoka) ostaju stalna u svakoj točki unutar fluida. Dakle, ako ste imali stalan protok, ali svojstva same tekućine su se u nekom trenutku promijenila (možda zbog barijera koja uzrokuje pukotine ovisne o vremenu u nekim dijelovima tekućine), tada biste imali stalan protok koji je ne protok u stalnom stanju.

Međutim, svi ustaljeni protoci su primjeri stalnih tokova. Struja koja konstantnom brzinom teče kroz ravnu cijev bio bi primjer ustaljenog protoka (a isto tako i stalan protok).

Ako sam protok ima svojstva koja se vremenom mijenjaju, tada se naziva an nestabilni tok ili a prolazni tok. Kiša koja ulazi u oluk tijekom oluje primjer je nestalnog protoka.

U pravilu, stalni tokovi olakšavaju rješavanje problema od nestabilnih tokova, što bi se moglo očekivati ​​s obzirom na to da vremenske promjene u protoku ne moraju se uzimati u obzir i stvari koje se vremenom mijenjaju obično će stvari učiniti više komplicirano.

Kaže se da glatki protok tekućine laminarni tok. Kaže se da ima tok koji sadrži naizgled kaotično, nelinearno kretanje turbulentni tok. Po definiciji, turbulentni tok je vrsta nestabilnog toka.

Obje vrste protoka mogu sadržavati vrtloge, vrtloge i razne vrste recirkulacije, mada što je više takvih ponašanja koja postoje, vjerojatnije je da će tok biti klasificiran kao turbulentan.

Razlika je li protok laminantan ili turbulentan obično je povezan s Reynoldsov broj (Ponovno). Reynoldsov broj prvi je izračunao 1951. fizičar George Gabriel Stokes, ali ime je dobio po znanstveniku iz 19. stoljeća Osborneu Reynoldsu.

Reynoldsov broj ovisi ne samo o specifičnostima same tekućine, već io uvjetima njezinog protoka, izveden kao omjer inercijalnih sila i viskoznih sila na sljedeći način:

Ponovno = Inercijalna sila / viskozne sile

Ponovno = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Izraz dV / dx je gradijent brzine (ili prvi derivat brzine) koji je proporcionalan brzini (V) podjeljeno sa L, predstavljajući duljinu ljestvice, što rezultira dV / dx = V / L. Drugi je derivat takav da d²V / dx² = V / L². Ako ih zamijenimo u prvi i drugi derivat, dobivamo u:

Ponovno = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Možete i podijeliti putem skale duljine L, što rezultira a Reynoldsov broj po nozi, označen kao Re f = V / ν.

Niski Reynoldsov broj ukazuje na glatki, laminarni protok. Visok Reynoldsov broj ukazuje na tok koji će demonstrirati vrtloge i vrtloge i općenito će biti turbulentniji.

Protok cijevi predstavlja protok koji je u dodiru sa krutim granicama sa svih strana, poput vode koja se kreće kroz cijev (otuda i naziv "protok cijevi") ili zraka koji se kreće kroz zračni kanal.

Otvor otvorenog kanala opisuje protok u drugim situacijama kada postoji barem jedna slobodna površina koja nije u kontaktu s krutom granicom. (Tehnički gledano, slobodna površina ima 0 paralelnih naprezanja.) Slučajevi otvorenog protoka uključuju voda koja se kreće rijekom, poplave, voda koja teče za vrijeme kiše, plimne struje i navodnjavački kanali. U tim slučajevima površina vode koja teče, gdje je voda u kontaktu sa zrakom, predstavlja "slobodnu površinu" toka.

Protok u cijevi pokreće se bilo pritiskom, bilo gravitacijom, ali tokovi u otvorenim kanalima pokreću se isključivo gravitacijom. Gradski vodovodi često koriste vodene tornjeve kako bi to iskoristili, tako da je visinska razlika vode u tornju ( hidrodinamička glava) stvara diferencijalni tlak, koji se zatim podešava mehaničkim crpkama kako bi voda došla na mjesta u sustavu gdje su im potrebna.

Plinovi se općenito tretiraju kao stisljiva tekućina, jer se volumen koji ih sadrži može smanjiti. Zračni kanal može se smanjiti za polovicu i dalje trošiti istu količinu plina istom brzinom. Čak i dok plin prolazi kroz zračni kanal, neke će regije imati veću gustoću od ostalih.

Općenito pravilo, biti nekompatibilno znači da se gustoća bilo koje regije fluida ne mijenja kao funkcija vremena dok se kreće kroz protok. Tekućine se također mogu komprimirati, naravno, ali postoji veća ograničenja u odnosu na količinu kompresije koja se može napraviti. Iz tog razloga se tekućine obično modeliraju kao da su nekompresivne.

Bernoullijev princip drugi je ključni element dinamike fluida, objavljen u knjizi Daniela Bernoullija iz 1738. godine Hydrodynamica. Jednostavno rečeno, povezuje porast brzine u tekućini s padom tlaka ili potencijalne energije. Za nekomprimirajuće tekućine to se može opisati korištenjem onoga što je poznato Bernoullijeva jednadžba:

(v²/2) + gz + p/ρ = konstanta

Gdje g je ubrzanje zbog gravitacije, ρ je pritisak u cijeloj tekućini, v je brzina protoka tekućine u određenoj točki, z je nadmorska visina u tom trenutku, i p je pritisak u toj točki. Kako je ovo konstantno u nekom fluidu, to znači da ove jednadžbe mogu povezati bilo koje dvije točke, 1 i 2, sa sljedećom jednadžbom:

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

Veza između tlaka i potencijalne energije tekućine koja se temelji na nadvišenju povezana je i kroz Pascalov zakon.

Dvije trećine Zemljine površine čini voda, a planet je okružen slojevima atmosfere, tako da smo doslovno u svakom trenutku okruženi tekućinom... gotovo uvijek u pokretu.

Razmišljajući malo o ovome, to čini prilično očiglednim da bi bilo puno interakcija tekućina koje se kreću da bismo naučno proučavali i razumjeli. Tu naravno dolazi i dinamika fluida, tako da ne postoji nedostatak polja koja primjenjuju koncepte iz dinamike fluida.

Ovaj popis uopće nije iscrpan, ali pruža dobar pregled načina na koji se dinamika fluida pokazuje u proučavanju fizike kroz različite specijalizacije:

• Oceanografija, meteorologija i klimatske znanosti - Budući da se atmosfera modelira kao tekućina, proučavanje znanosti o atmosferi i oceanske struje, ključno za razumijevanje i predviđanje vremenskih obrazaca i klimatskih trendova, uveliko se oslanja na dinamiku fluida.
• aeronautika - Fizika dinamike fluida uključuje proučavanje protoka zraka radi stvaranja povlačenja i dizanja, što zauzvrat generira sile koje omogućuju let teže od zraka.
• Geologija i geofizika - Tektonika ploča uključuje proučavanje gibanja zagrijane materije unutar tekuće jezgre Zemlje.
• Hematologija i hemodinamika -Biološka studija krvi uključuje proučavanje njene cirkulacije kroz krvne žile, a cirkulacija krvi može se modelirati korištenjem metoda dinamike tekućine.
• Fizika plazme - Iako ni tekućina ni plin, plazma često se ponaša na načine slične tekućinama, pa se može modelirati i pomoću dinamike fluida.
• Astrofizika i kozmologija - Proces evolucije zvijezde uključuje promjenu zvijezda tijekom vremena, što se može razumjeti proučavanjem kako plazma koja čini zvijezde teče i interakcija unutar zvijezde tijekom vremena.
• Analiza prometa - Možda je jedna od najneobičnijih primjena fluidne dinamike u razumijevanju kretanja prometa, kako automobilskog, tako i pješačkog prometa. U područjima gdje je promet dovoljno gust, cijelo se tijelo prometa može tretirati kao jedinstvena cjelina koja se ponaša približno na način sličan protoku tekućine.

Dinamika fluida se također ponekad naziva hidrodinamika, iako je ovo više povijesni pojam. Kroz dvadeseto stoljeće izraz "dinamika fluida" postao je mnogo češći.

Tehnički bi bilo prikladnije reći da je hidrodinamika kada se dinamika fluida primjenjuje na tekućine u pokretu i aerodinamika je kada se dinamika tekućine primjenjuje na plinove u pokretu.

Međutim, u praksi, specijalizirane teme poput hidrodinamičke stabilnosti i magnetohidrodinamike koriste prefiks "hidro-", čak i kada one primjenjuju na gibanje plinova.