Izpratne par to, kas ir šķidruma dinamika

claylib/Getty Images

Šķidruma dinamika ir pētījumu par šķidrumu kustību, ieskaitot to mijiedarbību, kad divi šķidrumi saskaras viens ar otru. Šajā kontekstā termins “šķidrums” attiecas uz jebkuru šķidrums vai gāzes . Tā ir makroskopiska, statistiska pieeja, lai analizētu šīs mijiedarbības lielā mērogā, aplūkojot šķidrumus kā matērijas kontinuumu un kopumā ignorējot faktu, ka šķidrums vai gāze sastāv no atsevišķiem atomiem.

Šķidruma dinamika ir viena no divām galvenajām nozarēm šķidruma mehānika , ar otru atzaru ir šķidruma statika, šķidrumu izpēte miera stāvoklī. (Varbūt nav pārsteidzoši, ka šķidruma statiku lielāko daļu laika var uzskatīt par mazāk aizraujošu nekā šķidruma dinamiku.)

Šķidruma dinamikas galvenie jēdzieni

Katra disciplīna ietver jēdzienus, kas ir būtiski, lai izprastu, kā tā darbojas. Šeit ir daži no galvenajiem, ar kuriem jūs saskarsities, mēģinot izprast šķidruma dinamiku.

Šķidruma pamatprincipi

Šķidruma jēdzieni, kas attiecas uz šķidruma statiku, tiek izmantoti arī, pētot šķidrumu, kas atrodas kustībā. Gandrīz agrākais šķidruma mehānikas jēdziens ir peldspēja , atklāts Arhimēda senā Grieķija .

Šķidrumiem plūstot, blīvums un spiedienu Šķidrumi ir arī ļoti svarīgi, lai saprastu, kā tie mijiedarbosies. The viskozitāte nosaka šķidruma noturību pret izmaiņām, tāpēc tas ir arī būtiski, pētot šķidruma kustību. Šeit ir daži mainīgie, kas parādās šajās analīzēs.

• Masas viskozitāte: m
• Blīvums: r
• Kinemātiskā viskozitāte: n = m / r

Plūsma

Tā kā šķidruma dinamika ietver šķidruma kustības izpēti, viens no pirmajiem jēdzieniem, kas jāsaprot, ir tas, kā fiziķi nosaka šo kustību. Termins, ko fiziķi lieto, lai aprakstītu šķidruma kustības fizikālās īpašības, ir plūsma . Plūsma apraksta plašu šķidruma kustības diapazonu, piemēram, pūšot pa gaisu, plūstot cauri caurulei vai skriešanu pa virsmu. Šķidruma plūsmu klasificē dažādos veidos, pamatojoties uz dažādām plūsmas īpašībām.

Stabila pret nestabilu plūsmu

Ja šķidruma kustība laika gaitā nemainās, tiek uzskatīts, ka a vienmērīga plūsma . To nosaka situācija, kad visas plūsmas īpašības paliek nemainīgas attiecībā pret laiku vai arī par to var runāt, sakot, ka plūsmas lauka laika atvasinājumi izzūd. (Lai uzzinātu vairāk par atvasinājumu izpratni, skatiet aprēķinus.)

A līdzsvara stāvokļa plūsma ir vēl mazāk atkarīgs no laika, jo visas šķidruma īpašības (ne tikai plūsmas īpašības) paliek nemainīgas katrā šķidruma punktā. Tātad, ja jums būtu vienmērīga plūsma, bet paša šķidruma īpašības kādā brīdī mainījās (iespējams, barjeras dēļ, kas dažās šķidruma daļās izraisa no laika atkarīgus viļņus), tad jums būtu vienmērīga plūsma, kas ir nē līdzsvara stāvokļa plūsma.

Tomēr visas līdzsvara stāvokļa plūsmas ir vienmērīgu plūsmu piemēri. Strāva, kas plūst nemainīgā ātrumā pa taisnu cauruli, būtu līdzsvara stāvokļa plūsmas (un arī vienmērīgas plūsmas) piemērs.

Ja pašai plūsmai ir īpašības, kas laika gaitā mainās, tad to sauc par an nestabila plūsma vai a pārejoša plūsma . Lietus, kas vētras laikā ieplūst notekcaurulē, ir nestabilas plūsmas piemērs.

Parasti vienmērīgas plūsmas atvieglo problēmas risināšanu nekā nestabilas plūsmas, kas ir tas, ko varētu sagaidīt, ņemot vērā, ka nav jāņem vērā no laika atkarīgas plūsmas izmaiņas un lietas, kas laika gaitā mainās. parasti padara lietas sarežģītākas.

Laminārā plūsma pret turbulento plūsmu

Tiek uzskatīts, ka šķidruma plūsma ir vienmērīga laminārā plūsma . Tiek uzskatīts, ka tai ir plūsma, kas satur šķietami haotisku, nelineāru kustību vētraina plūsma . Pēc definīcijas turbulenta plūsma ir nestabilas plūsmas veids.

Abu veidu plūsmas var saturēt virpuļus, virpuļus un dažādus recirkulācijas veidus, lai gan, jo vairāk šādu darbību pastāv, jo lielāka iespēja, ka plūsma tiks klasificēta kā turbulenta.

Atšķirība starp to, vai plūsma ir lamināra vai turbulenta, parasti ir saistīta ar Reinoldsa numurs ( Re ). Reinoldsa skaitli 1951. gadā pirmo reizi aprēķināja fiziķis Džordžs Gabriels Stoks, taču tas ir nosaukts 19. gadsimta zinātnieka Osborna Reinoldsa vārdā.

Reinoldsa skaitlis ir atkarīgs ne tikai no paša šķidruma specifikas, bet arī no tā plūsmas apstākļiem, ko iegūst kā inerces spēku attiecību pret viskozajiem spēkiem šādā veidā:

Re = Inerces spēks / Viskozie spēki

Re = ( r IN dv / dx ) / ( m d^diviV/dx^divi)

Termins dV/dx ir ātruma gradients (vai pirmais ātruma atvasinājums), kas ir proporcionāls ātrumam ( IN ) dalīts ar L , kas attēlo garuma skalu, kā rezultātā dV/dx = V/L. Otrais atvasinājums ir tāds, ka d^diviV/dx^divi= V/L^divi. Aizstājot tos ar pirmo un otro atvasinājumu, rodas:

Re = ( ρ V V / L ) / ( m V / L ^divi)

Re = ( р V L ) / m

Varat arī sadalīt ar garuma skalu L, iegūstot a Reinoldsa skaitlis uz pēdu , apzīmēts kā Re f = IN / n .

Zems Reinoldsa skaitlis norāda uz vienmērīgu, lamināru plūsmu. Augsts Reinoldsa skaitlis norāda uz plūsmu, kas demonstrēs virpuļus un virpuļus un parasti būs nemierīgāka.

Caurules plūsma pret atvērto kanālu plūsmu

Caurules plūsma apzīmē plūsmu, kas no visām pusēm saskaras ar stingrām robežām, piemēram, ūdens, kas pārvietojas pa cauruli (tātad nosaukums “caurules plūsma”), vai gaiss, kas pārvietojas pa gaisa vadu.

Atvērta kanāla plūsma apraksta plūsmu citās situācijās, kad ir vismaz viena brīva virsma, kas nesaskaras ar stingru robežu. (Tehniskā izteiksmē brīvajai virsmai ir 0 paralēlā sprieguma.) Atvērta kanāla plūsmas gadījumi ietver ūdens pārvietošanos pa upi, plūdiem, lietus laikā plūstošu ūdeni, plūdmaiņu straumes un apūdeņošanas kanālus. Šajos gadījumos plūstošā ūdens virsma, kur ūdens saskaras ar gaisu, ir plūsmas “brīvā virsma”.

Plūsmas caurulē virza vai nu spiediens, vai gravitācija, bet plūsmas atvērta kanāla situācijās virza tikai gravitācija. Pilsētas ūdensapgādes sistēmās bieži tiek izmantoti ūdens torņi, lai to izmantotu, lai nodrošinātu ūdens augstuma starpību tornī ( hidrodinamiskā galva ) rada spiediena starpību, kas pēc tam tiek regulēta ar mehāniskiem sūkņiem, lai ūdens nonāktu tajās sistēmas vietās, kur tie ir nepieciešami.

Saspiežams pret nesaspiežamu

Gāzes parasti uzskata par saspiežamiem šķidrumiem, jo ​​var samazināt to tilpumu. Gaisa vadu var samazināt uz pusi mazāk, un tajā joprojām var pārvadāt tādu pašu gāzes daudzumu ar tādu pašu ātrumu. Pat tad, kad gāze plūst caur gaisa vadu, dažos reģionos būs lielāks blīvums nekā citos reģionos.

Parasti nesaspiežamība nozīmē, ka jebkura šķidruma apgabala blīvums nemainās kā laika funkcija, kad tas pārvietojas pa plūsmu. Šķidrumus, protams, var arī saspiest, taču ir vairāk ierobežojumu attiecībā uz saspiešanas apjomu, ko var veikt. Šī iemesla dēļ šķidrumi parasti tiek modelēti tā, it kā tie būtu nesaspiežami.

Bernulli princips

Bernulli princips ir vēl viens svarīgs šķidruma dinamikas elements, kas publicēts Daniela Bernulli 1738. gada grāmatā Hidrodinamika . Vienkārši sakot, tas saista ātruma palielināšanos šķidrumā ar spiediena vai potenciālās enerģijas samazināšanos. Nesaspiežamiem šķidrumiem to var aprakstīt, izmantojot tā saukto Bernulli vienādojums :

( iekšā ^divi/2) + gz + lpp / r = nemainīgs

Kur g ir gravitācijas radītais paātrinājums, r ir spiediens visā šķidrumā, iekšā ir šķidruma plūsmas ātrums noteiktā punktā, Ar ir pacēlums šajā punktā, un lpp ir spiediens tajā brīdī. Tā kā šķidrumā tas ir nemainīgs, tas nozīmē, ka šie vienādojumi var saistīt jebkurus divus punktus, 1 un 2, ar šādu vienādojumu:

( iekšā ₁^divi/2) + gz ₁+ lpp ₁/ r = ( iekšā _divi^divi/2) + gz _divi+ lpp _divi/ r

Attiecības starp spiedienu un šķidruma potenciālo enerģiju, pamatojoties uz augstumu, ir saistītas arī ar Paskāla likumu.

Šķidruma dinamikas pielietojumi

Divas trešdaļas no Zemes virsmas ir ūdens, un planētu ieskauj atmosfēras slāņi, tāpēc mūs burtiski visu laiku ieskauj šķidrumi... gandrīz vienmēr kustībā.

Nedaudz padomājot par to, tas padara diezgan acīmredzamu, ka varētu būt daudz kustīgu šķidrumu mijiedarbības, lai mēs varētu pētīt un saprast zinātniski. Šeit, protams, parādās šķidruma dinamika, tāpēc netrūkst jomu, kas izmanto plūstošās dinamikas koncepcijas.

Šis saraksts nebūt nav izsmeļošs, taču sniedz labu pārskatu par veidiem, kā šķidruma dinamika parādās fizikas izpētē dažādās specializācijas jomās:

Okeanogrāfija, meteoroloģija un klimata zinātne - Tā kā atmosfēra tiek modelēta kā šķidrumi, atmosfēras zinātnes izpēte un okeāna straumes , kas ir ļoti svarīgs laika apstākļu un klimata tendenču izpratnei un prognozēšanai, lielā mērā ir atkarīgs no šķidruma dinamikas. Aeronautika - Šķidruma dinamikas fizika ietver gaisa plūsmas izpēti, lai radītu pretestību un pacēlumu, kas savukārt rada spēkus, kas ļauj lidot, kas ir smagāks par gaisu.
• Ģeoloģija un ģeofizika - Plātņu tektonika ietver karsētās vielas kustības izpēti Zemes šķidrajā kodolā.
• Hematoloģija un Hemodinamika - Asins bioloģiskā izpēte ietver to asinsrites izpēti caur asinsvadiem, un asinsriti var modelēt, izmantojot šķidruma dinamikas metodes.
Plazmas fizika - Lai gan tas nav ne šķidrums, ne gāze, plazma bieži uzvedas līdzīgi kā šķidrumi, tāpēc to var arī modelēt, izmantojot šķidruma dinamiku.
• Astrofizika un kosmoloģija - Zvaigžņu evolūcijas process ietver zvaigžņu izmaiņas laika gaitā, ko var saprast, pētot, kā plazma, kas veido zvaigznes, laika gaitā plūst un mijiedarbojas zvaigznē.
Satiksmes analīze - Iespējams, viens no pārsteidzošākajiem šķidruma dinamikas pielietojumiem ir satiksmes kustības izpratne gan transportlīdzekļu, gan gājēju satiksmē. Vietās, kur satiksme ir pietiekami blīva, visu satiksmes kopumu var uzskatīt par vienu vienību, kas darbojas tādā veidā, kas ir aptuveni pietiekami līdzīga šķidruma plūsmai.

Alternatīvie šķidruma dinamikas nosaukumi

Šķidruma dinamiku dažreiz sauc arī par hidrodinamika , lai gan tas vairāk ir vēsturisks termins. Divdesmitajā gadsimtā frāze 'šķidruma dinamika' kļuva daudz biežāk lietota.

Tehniski pareizāk būtu teikt, ka hidrodinamika ir tad, kad šķidruma dinamiku piemēro šķidrumiem kustībā un aerodinamika ir tad, kad šķidruma dinamika tiek piemērota kustīgām gāzēm.

Tomēr praksē specializētās tēmās, piemēram, hidrodinamiskā stabilitāte un magnetohidrodinamika, tiek izmantots “hidro-” prefikss pat tad, ja tie piemēro šos jēdzienus gāzu kustībai.