Разбиране какво представлява флуидната динамика

Динамиката на течностите е изследване на движението на флуидите, включително тяхното взаимодействие, тъй като два флуида влизат в контакт помежду си. В този контекст терминът "флуид" се отнася до едно от двете течност или газове. Това е макроскопичен, статистически подход за анализ на тези взаимодействия в голям мащаб, преглед на течностите като континуум на материята и като цяло игнорирайки факта, че течността или газът са съставени от индивид атома.

Динамиката на течностите е един от двата основни клона на механика на флуидите, като другият клон е статична течност, изследване на течности в покой. (Може би не е изненадващо, че статиката на флуида може да се смята за малко по-малко вълнуваща през повечето време от динамиката на течността.)

Всяка дисциплина включва концепции, които са от решаващо значение за разбирането как работи. Ето някои от основните, на които ще се натъкнете, когато се опитвате да разберете динамиката на течностите.

Концепциите за флуиди, които се прилагат в статиката на флуида, също влизат в игра при изучаване на течност, която е в движение. Доста по-ранната концепция в механиката на течностите е тази на плавателност, открити в древна Гърция от Архимед.

Докато течностите текат, плътност и налягане от течностите също са от решаващо значение за разбирането на начина, по който те ще си взаимодействат. Най- вискозитет определя колко устойчива е течността да се променя, така че е от съществено значение и при изучаване на движението на течността. Ето някои от променливите, които се появяват в тези анализи:

• Насипен вискозитет: μ
• Плътност: ρ
• Кинематичен вискозитет: ν = μ / ρ

Тъй като динамиката на течността включва изучаването на движението на течността, едно от първите понятия, които трябва да се разберат, е как физиците определят количествено това движение. Терминът, който физиците използват, за да опишат физическите свойства на движението на течността, е поток. Потокът описва широк спектър от движение на течности, като например издухване във въздуха, преминаване през тръба или преминаване по повърхност. Потокът на течността се класифицира по различни начини въз основа на различните свойства на потока.

Ако движението на течността не се промени с течение на времето, се счита за а постоянен поток. Това се определя от ситуация, при която всички свойства на потока остават постоянни по отношение на времето или могат да се редуват, като се каже, че времевите производни на поточното поле изчезват. (Вижте изчисленията за повече информация относно разбирането на производни.)

А стационарен поток е дори по-малко зависима от времето, защото всички свойства на течността (не само свойствата на потока) остават постоянни във всяка точка в течността. Така че, ако сте имали постоянен поток, но свойствата на самата течност са се променили в даден момент (вероятно поради бариера, предизвикваща пулсации, зависещи от времето в някои части на течността), тогава бихте имали постоянен поток, който е не стационарен поток.

Всички стационарни потоци обаче са примери за постоянни потоци. Ток, протичащ с постоянна скорост през права тръба, би бил пример за постоянен поток (а също и постоянен поток).

Ако самият поток има свойства, които се променят с течение на времето, тогава той се нарича an нестабилен поток или а преходен поток. Дъждът, който се влива в улук по време на буря, е пример за нестабилен поток.

Като общо правило, постоянните потоци правят по-лесни проблеми за справяне с нестабилните потоци, което може да се очаква, като се има предвид, че промените в потока, зависими от времето, не трябва да се вземат предвид и нещата, които се променят с течение на времето, обикновено правят нещата повече сложно.

Плавно течение на течността се казва, че има ламинарен поток. Поток, който съдържа привидно хаотично, нелинейно движение, се казва, че има турбулентен поток. По дефиниция турбулентният поток е вид нестабилен поток.

И двата типа потоци могат да съдържат вихри, вихри и различни видове рециркулация, въпреки че колкото повече такива поведения съществуват, толкова по-вероятно е потокът да бъде класифициран като турбулентен.

Разликата между това дали потокът е ламинарен или турбулентен, обикновено е свързан с Номер на Рейнолдс (ре). Числото на Рейнолдс е изчислено за първи път през 1951 г. от физика Джордж Габриел Стоукс, но е кръстено на учения от 19 век Озбърн Рейнолдс.

Числото на Рейнолдс зависи не само от особеностите на самата течност, но и от условията на нейния поток, получени като съотношението на инерционните сили към вискозните сили по следния начин:

ре = Инерционна сила / Вискозни сили

ре = (ρVDV/DX) / (μ д²V / DX²)

Терминът dV / dx е градиентът на скоростта (или първото производно на скоростта), който е пропорционален на скоростта (V) разделена на L, представляваща скала на дължина, в резултат на което dV / dx = V / L. Второто производно е такова, че d²V / DX² = V / L². Заместването им в първата и втората деривати води до:

ре = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Можете също да разделите чрез скалата на дължината L, което води до a Рейнолдс номер на крак, обозначени като Re f = V / ν.

Нисък брой на Рейнолдс показва плавен, ламинарен поток. Високият брой на Рейнолдс показва поток, който ще демонстрира вихри и вихри и като цяло ще бъде по-бурен.

Тръбен поток представлява поток, който е в контакт с твърди граници от всички страни, като например вода, движеща се през тръба (оттук и името "тръбен поток") или въздух, движещ се през въздуховод.

Отворен канал описва потока в други ситуации, когато има поне една свободна повърхност, която не е в контакт с твърда граница. (В техническо отношение свободната повърхност има 0 паралелни чисти напрежения.) Случаите на отворен канал включват вода, движеща се през река, наводнения, течаща вода по време на дъжд, приливни и течни канали и напоителни канали. В тези случаи повърхността на течащата вода, където водата е в контакт с въздуха, представлява „свободната повърхност“ на потока.

Потоците в тръба се задвижват или от налягане, или от гравитация, но потоците в ситуации с отворен канал се задвижват единствено от гравитацията. Градските водни системи често използват водни кули, за да се възползват от това, така че разликата в надморската височина на водата в кулата ( хидродинамична глава) създава диференциал на налягането, който след това се настройва с механични помпи, за да стигне вода до местата в системата, където са необходими.

Като цяло газовете се третират като сгъваеми течности, тъй като обемът, който ги съдържа, може да бъде намален. Въздухопроводът може да бъде намален наполовина и все пак да пренася същото количество газ със същата скорост. Дори докато газът преминава през въздушния канал, някои региони ще имат по-голяма плътност в сравнение с други региони.

Като общо правило, това, че е некомпресивно, означава, че плътността на която и да е област на течността не се променя като функция на времето, докато се движи през потока. Течностите също могат да се компресират, разбира се, но има повече ограничение за размера на компресията, което може да се направи. Поради тази причина течностите обикновено се моделират така, сякаш са некомпресивни.

Принципът на Бернули е друг ключов елемент на динамиката на флуидите, публикуван в книгата на Даниел Бернули от 1738 г. Hydrodynamica. Най-просто казано, тя свързва увеличаването на скоростта в течността с намаляването на налягането или потенциалната енергия. За некомпресивни течности това може да се опише, като се използва това, което е известно като Уравнението на Бернули:

(V²/2) + GZ + р/ρ = константа

Където г е ускорението поради гравитацията, ρ е налягането в цялата течност, V е скоростта на потока на течността в дадена точка, Z е котата в тази точка и р е налягането в тази точка. Тъй като това е постоянно в една течност, това означава, че тези уравнения могат да свързват всякакви две точки, 1 и 2, със следното уравнение:

(V₁²/2) + GZ₁ + р₁/ρ = (V₂²/2) + GZ₂ + р₂/ρ

Връзката между налягането и потенциалната енергия на течност, основаваща се на повдигане, също е свързана чрез закона на Паскал.

Две трети от земната повърхност е вода, а планетата е заобиколена от слоеве от атмосфера, така че ние сме буквално заобиколени по всяко време от течности... почти винаги в движение.

Като се замислим малко за това, това прави доста очевидно, че би имало много взаимодействия на движещи се течности, за да проучим и разберем научно. От тук идва, разбира се, динамиката на флуидите, така че няма недостиг на полета, които прилагат концепции от динамиката на флуидите.

Този списък изобщо не е изчерпателен, но предоставя добър преглед на начините, по които динамиката на флуидите се проявява при изучаването на физиката в редица специализации:

• Океанография, метеорология и климатична наука - Тъй като атмосферата е моделирана като течности, изучаването на атмосферните науки и океански течения, от решаващо значение за разбирането и прогнозирането на метеорологичните модели и климатичните тенденции, разчита в голяма степен на динамиката на течността.
• аеронавтика - Физиката на динамиката на флуидите включва изучаване на въздушния поток за създаване на влачене и повдигане, което от своя страна генерира силите, които позволяват полет по-тежък от въздуха.
• Геология и геофизика - Тектоника на плочи включва изследване на движението на нагрятата материя в течната сърцевина на Земята.
• Хематология & хемодинамика -Биологичното изследване на кръвта включва изследването на нейната циркулация през кръвоносните съдове и кръвообращението може да се моделира, като се използват методите на динамиката на течностите.
• Физика на плазмата - Въпреки че нито течност, нито газ, плазма често се държи по начини, подобни на течностите, така че може да се моделира и с помощта на динамиката на течността.
• Астрофизика и космология - Процесът на звездна еволюция включва промяна на звездите във времето, което може да се разбере, като се проучи как плазмата, която съставя звездите, тече и взаимодейства в рамките на звездата във времето.
• Анализ на трафика - Може би едно от най-изненадващите приложения на динамичната динамика е в разбирането на движението на трафика, както на автомобилния, така и на пешеходния трафик. В райони, където трафикът е достатъчно гъст, цялото тяло на трафика може да се третира като едно цяло, което се държи по начини, които са приблизително подобни на потока на течност.

Динамиката на течностите също понякога се споменава като хидродинамика, въпреки че това е по-скоро исторически термин. През целия ХХ век фразата „динамика на флуидите“ става много по-често използвана.

Технически би било по-подходящо да се каже, че хидродинамиката е когато динамиката на течността се прилага върху течности в движение и аеродинамика е, когато динамиката на течността се прилага за газове в движение.

На практика обаче специализирани теми като хидродинамична стабилност и магнитохидродинамика използват префикса "хидро-", дори когато прилагат тези понятия при движението на газовете.