Förstå vad Fluid Dynamics är

Vätskedynamik är studien av rörelse av vätskor, inklusive deras interaktioner när två vätskor kommer i kontakt med varandra. I detta sammanhang avser termen "vätska" endera vätska eller gaser. Det är ett makroskopiskt, statistiskt tillvägagångssätt för att analysera dessa interaktioner i stor skala och titta på vätskorna som ett kontinuum av materien och i allmänhet ignorerar det faktum att vätskan eller gasen består av individ atomer.

Fluid dynamics är en av de två huvudgrenarna i vätskemekanik, där den andra grenen är vätskestatik, studien av vätskor i vila. (Kanske inte överraskande kan vätskestatik anses vara lite mindre spännande för det mesta än vätseldynamik.)

Varje disciplin innefattar begrepp som är avgörande för att förstå hur den fungerar. Här är några av de viktigaste som du kommer att stöta på när du försöker förstå vätskedynamiken.

De vätskekoncept som gäller i vätskestatik spelar också in när man studerar vätska som är i rörelse. Ganska mycket det tidigaste konceptet i fluidmekanik är det för

När vätskor flyter, densitet och tryck av vätskorna är också avgörande för att förstå hur de kommer att interagera. De viskositet bestämmer hur resistent vätskan är att förändras, så är också viktigt för att studera vätskans rörelse. Här är några av de variabler som kommer upp i dessa analyser:

• Massviskositet: μ
• Densitet: ρ
• Kinematisk viskositet: ν = μ / ρ

Eftersom fluiddynamik inbegriper studiet av fluidens rörelse, är ett av de första begreppen som måste förstås hur fysiker kvantifierar den rörelsen. Begreppet som fysiker använder för att beskriva de fysiska egenskaperna hos vätskebewegningen är strömma. Flöde beskriver ett brett spektrum av fluidrörelser, såsom blåser genom luften, strömmar genom ett rör eller löper längs en yta. Flödet av en vätska klassificeras på många olika sätt, baserat på flödesegenskaperna.

Om rörelsen av vätska inte förändras över tid, anses den vara en stadigt flöde. Detta bestäms av en situation där alla egenskaper hos flödet förblir konstant med avseende på tid eller alternativt kan talas om genom att säga att tidsderivaten för flödesfältet försvinner. (Kolla in kalkylen för mer om att förstå derivat.)

EN jämnt flöde är ännu mindre tidsberoende eftersom alla fluidegenskaperna (inte bara flödesegenskaperna) förblir konstanta vid varje punkt i fluidet. Så om du hade ett jämnt flöde, men egenskaperna hos själva vätskan ändrades någon gång (möjligen på grund av en barriär som orsakar tidsberoende krusningar i vissa delar av vätskan), då skulle du ha ett jämnt flöde som är inte ett jämnt flöde.

Alla stabilitetsflöden är dock exempel på stadiga flöden. En ström som strömmar med konstant hastighet genom ett rakt rör skulle vara ett exempel på ett jämnt flöde (och även ett jämnt flöde).

Om flödet i sig har egenskaper som förändras över tid kallas det en ostadigt flöde eller a övergående flöde. Regn som flödar in i rännan under en storm är ett exempel på ostadigt flöde.

Generellt sett ger stabila flöden enklare problem att hantera än ostadiga flöden, vilket är vad man kan förvänta sig med tanke på att tidsberoende förändringar i flödet behöver inte beaktas, och saker som förändras över tiden kommer vanligtvis att göra saker och ting mer komplicerad.

Ett jämnt vätskeflöde sägs ha laminärt flöde. Flöde som innehåller till synes kaotisk, icke-linjär rörelse sägs ha turbulent flöde. Per definition är ett turbulent flöde en typ av instabil flöde.

Båda typerna av flöden kan innehålla virvel, virvlar och olika typer av återcirkulation, även om ju mer sådana beteenden som finns desto mer troligt kommer flödet att klassificeras som turbulent.

Skillnaden mellan huruvida ett flöde är laminärt eller turbulent är vanligtvis relaterat till Reynolds nummer (Re). Reynolds-talet beräknades först 1951 av fysikern George Gabriel Stokes, men det är uppkallat efter 1800-talsforskaren Osborne Reynolds.

Reynolds-talet är inte bara beroende av specifikationerna för själva vätskan utan också av villkoren för dess flöde, härledda som förhållandet mellan tröghetskrafter och viskösa krafter på följande sätt:

Re = Tröghetskraft / Viskösa krafter

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Termen dV / dx är gradienten för hastigheten (eller det första derivatet av hastigheten), som är proportionell mot hastigheten (V) delat med L, representerande en längdskala, vilket resulterar i dV / dx = V / L. Det andra derivatet är sådant att d²V / dx² = V / L². Att ersätta dessa i första och andra derivat resulterar i:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Du kan också dela genom längdskala L, vilket resulterar i en Reynolds antal per fot, betecknad som Re f = V / ν.

Ett lågt Reynolds-nummer indikerar ett jämnt, laminärt flöde. Ett högt Reynolds-nummer indikerar ett flöde som kommer att demonstrera virvel och virvlar och i allmänhet kommer att vara mer turbulent.

Rörflöde representerar ett flöde som är i kontakt med styva gränser på alla sidor, såsom vatten som rör sig genom ett rör (därav namnet "rörflöde") eller luft som rör sig genom en luftkanal.

Flöde med öppen kanal beskriver flöde i andra situationer där det finns minst en fri yta som inte är i kontakt med en styv gräns. (Tekniskt sett har den fria ytan 0 parallell ren spänning.) Fall av öppet kanalflöde inkluderar vatten som rör sig genom en flod, översvämningar, vatten som rinner under regn, tidvattenströmmar och bevattningskanaler. I dessa fall representerar ytan på det strömmande vattnet, där vattnet är i kontakt med luften, flödets "fria yta".

Flöden i ett rör drivs av antingen tryck eller tyngdkraft, men flöden i öppna kanalsituationer drivs enbart av tyngdkraften. Stadsvattensystem använder ofta vattentorn för att dra fördel av detta, så att höjdskillnaden mellan vattnet i tornet ( hydrodynamiskt huvud) skapar en tryckskillnad, som sedan justeras med mekaniska pumpar för att få vatten till de platser i systemet där de behövs.

Gaser behandlas generellt som kompressibla vätskor eftersom volymen som innehåller dem kan minskas. En luftkanal kan minskas med halva storleken och bära fortfarande samma mängd gas i samma takt. Även när gasen flödar genom luftkanalen kommer vissa regioner att ha högre densitet än andra regioner.

Som en allmän regel innebär det att vara inkomprimerbart att densiteten i någon vätskeområde inte förändras som en funktion av tiden när den rör sig genom flödet. Vätskor kan naturligtvis också komprimeras, men det finns mer en begränsning av mängden komprimering som kan göras. Av detta skäl modelleras vätskor vanligtvis som om de var inkomprimerbara.

Bernoullis princip är ett annat viktigt inslag i vätskedynamik, publicerad i Daniel Bernoullis bok från 1738 Hydrodynamica. Enkelt uttryckt relaterar det ökningen av hastigheten i en vätska till en minskning av tryck eller potentiell energi. För inkomprimerbara vätskor kan detta beskrivas med hjälp av vad som kallas Bernoullis ekvation:

(v²/2) + gz + p/ρ = konstant

Var g är accelerationen på grund av tyngdkraften, ρ är trycket genom vätskan, v är vätskeflödeshastigheten vid en given punkt, z är höjden vid den punkten, och p är trycket vid den punkten. Eftersom detta är konstant i en vätska, betyder detta att dessa ekvationer kan relatera två punkter, 1 och 2, med följande ekvation:

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

Förhållandet mellan tryck och potentiell energi för en vätska baserat på höjd är också relaterad genom Pascal's Law.

Två tredjedelar av jordens yta är vatten och planeten är omgiven av atmosfärlager, så vi är bokstavligen omgiven av vätskor... nästan alltid i rörelse.

Tänker på det lite, detta gör det ganska uppenbart att det skulle finnas en hel del interaktioner mellan rörliga vätskor för oss att studera och förstå vetenskapligt. Det är där väldynamik kommer naturligtvis in, så det saknas brist på fält som tillämpar begrepp från vätseldynamik.

Denna lista är inte alls uttömmande, men ger en bra överblick över sätt på vilka vätskedynamik dyker upp i studiet av fysik över en rad specialiseringar:

• Oceanografi, meteorologi och klimatvetenskap - Eftersom atmosfären är modellerad som vätskor, studeras atmosfärvetenskap och havsströmmar, avgörande för att förstå och förutsäga vädermönster och klimattrender, är starkt beroende av vätskedynamik.
• Aeronautik - Fysiddynamikens fysik innebär att man studerar luftflödet för att skapa dra och lyfta, vilket i sin tur genererar de krafter som tillåter flygning tyngre än luft.
• Geologi och geofysik - Plattaktonik involverar att studera rörelsen hos det uppvärmda materialet i jordens flytande kärna.
• Hematologi & hemodynamik -Den biologiska blodstudien inkluderar studien av dess cirkulation genom blodkärl, och blodcirkulationen kan modelleras med hjälp av vätskedynamiken.
• Plasmafysik - Även om varken vätska eller gas, plasma uppför sig ofta på sätt som liknar vätskor, så kan också modelleras med hjälp av vätskedynamik.
• Astrofysik & kosmologi - Processen för stjärnutveckling involverar förändring av stjärnor över tid, vilket kan förstås genom att studera hur plasma som komponerar stjärnorna flyter och interagerar inom stjärnan över tid.
• Trafikanalys - Kanske en av de mest överraskande tillämpningarna av vätskedynamik är att förstå rörelsens rörelse, både fordonstrafik och fotgängare. I områden där trafiken är tillräckligt tät kan hela trafikmassan behandlas som en enda enhet som uppträder på sätt som är ungefär lika stora som en vätskeflöde.

Fluiddynamik kallas också ibland hydrodynamikäven om detta är mer en historisk term. Under hela det tjugonde århundradet blev uttrycket "fluid dynamics" mycket vanligare.

Tekniskt sett skulle det vara mer lämpligt att säga att hydrodynamik är när vätskedynamik appliceras på vätskor i rörelse och aerodynamik är när vätskedynamik appliceras på gaser i rörelse.

I praktiken använder emellertid specialiserade ämnen som hydrodynamisk stabilitet och magnetohydrodynamik "hydro-" -prefixet även när de tillämpar dessa begrepp på gasers rörelse.