Fluid Dynamics (Oversigt): Grundlæggende, terminologi og ligninger

Undersøgelsen af ​​væskedynamik kan virke som et snævert emne inden for fysik. I den daglige tale siger du for det første "væsker", når du mener væsker, især noget som strømmen af ​​vand. Og hvorfor vil du bruge så meget tid på bare at se på bevægelsen af ​​noget så verdsligt?

Men denne tankegang misforstår arten af ​​undersøgelsen af ​​væsker og ignorerer de mange forskellige anvendelser af væskedynamik. Ud over at være nyttigt til at forstå ting som havstrømme, har væskedynamik anvendelser i områder som pladetektonik, stjernernes udvikling, blodcirkulation og meteorologi.

Nøglebegreberne er også afgørende for teknik og design, og beherskelse af væskedynamik åbner døre til arbejde med ting som luftfartsteknik, vindmøller, klimaanlæg, raketmotorer og rør netværk.

Det første skridt til at frigøre den forståelse, du har brug for for at arbejde på projekter som disse, er dog at forstå grundlæggende i væskedynamik, udtrykkene fysikere bruger, når de taler om det, og de vigtigste ligninger, der styrer det.

Betydningen af ​​væskedynamik kan forstås, hvis du nedbryder de enkelte ord i sætningen. "Væske" henviser til en væske eller en ukomprimerbar væske, men det kan teknisk også henvise til en gas, som i vid udstrækning udvider emnets rækkevidde. Den "dynamiske" del af navnet fortæller dig, at det involverer at studere bevægelige væsker eller væskebevægelse snarere end væskestatik, hvilket er undersøgelsen af ​​væsker, der ikke er i bevægelse.

Der er et tæt forhold mellem væskedynamik, væskemekanik og aerodynamik. Væskemekanik er det brede udtryk, der dækker både studiet afflydende bevægelseog statiske væsker, og således udgør væskedynamik virkelig halvdelen af ​​væskemekanikken (og det er den del, der har den mest igangværende forskning).

Aerodynamik på den anden side handlerudelukkendemed gasser, mens væskedynamik dækker både gasser og væsker. Selvom der er en fordel ved at specialisere sig, hvis du ved, at du hellere vil arbejde inden for aerodynamik, er væskedynamik det bredeste og mest aktive felt i området.

Det væsentligste fokus for væskedynamik erhvordan væsker strømmer, og det er derfor vigtigt for enhver studerende at forstå det grundlæggende. Nøglepunkterne er dog intuitivt enkle: Væsker flyder ned ad bakke og som et resultat af trykforskelle. Downhill-strømmen drives af tyngdepotentialenergi, og flowet på grund af trykforskelle er hovedsagelig drevet af ubalancen mellem kræfterne et sted og et andet, i tråd med Newtons andet lov.

Kontinuitetsligningen er et ret kompliceret udtryk, men det formidler bare et meget simpelt punkt: Materiale er konserveret under væskestrømning. Så mængden af ​​væske, der flyder forbi punkt 1, skal matche det punkt, der flyder forbi punkt 2, med andre ord,massestrømningshastigheder konstant. Ligningen gør det let at se specifikt, hvad dette betyder:

Hvorρer densiteten,ENer tværsnitsarealet, ogver hastigheden, og abonnementerne 1 og 2 henviser til henholdsvis punkt 1 og punkt 2. Tænk ordene i ligningen nøje, mens du overvejer væskestrøm: Tværsnitsarealet tager et enkelt, to-dimensionelt "skive" af væskestrømmen ved et givet punkt, og hastigheden fortæller dig, hvor hurtigt et enkelt tværsnit af væske bevæger sig.

Det resterende stykke af puslespillet, densiteten, sikrer, at dette afbalanceres mod mængden af ​​kompression af væsken på forskellige punkter. Dette er sådan, at hvis en gas komprimeres mellem punkt 1 og punkt 2, tælles den større mængde stof pr. Volumen enhed ved punkt 2 i ligningen.

Hvis du kombinerer enhederne for de tre termer på hver side, ser du, at den resulterende enhed for udtrykket er en værdi i masse / tid, dvs. kg / s. Ligningen matcher eksplicit strømningshastigheden for stof på to forskellige punkter på rejsen.

Bernoullis princip er et af de vigtigste resultater i væskedynamik, og med ord hedder det, at trykket er lavere i regioner, hvor en væske strømmer hurtigere. Men når dette udtrykkes i form af Bernoullis ligning, bliver det klart, at dette er en erklæring frabevarelse af energianvendes til væskedynamik.

Det siger i det væsentlige, at energitætheden (dvs. energien i en volumenhed) er lig med a konstant, eller (ækvivalent), at summen af ​​disse tre udtryk forbliver før og efter et givet punkt det samme. I symboler:

Det første udtryk giver trykenergien (med tryk =P), det andet udtryk giver den kinetiske energi pr. volumen enhed, og det tredje giver den potentielle energi (medg= 9,81 m / s² ogh= rørets højde). Hvis du er fortrolig med bevarelse af energi eller momentumligninger i fysik, har du allerede en god idé om, hvordan du bruger denne ligning.

Hvis du kender de oprindelige værdier og i det mindste nogle detaljer om røret og væsken efter det valgte punkt, kan du finde ud af den resterende værdi ved at omorganisere ligningen.

Det er vigtigt at bemærke nogle advarsler om Bernoullis ligning. Det antages, at begge punkter ligger på en strømlinje, at strømmen er stabil, at der ikke er nogen friktion, og at væsken har en konstant tæthed.

Disse er begrænsende begrænsninger for formlen, og hvis du varstrengtnøjagtigt, ingen flydende væsker opfylder disse krav. Men som det ofte er tilfældet i fysik, kan mange tilfælde beskrives omtrent på denne måde, og for at gøre beregningen meget enklere er det værd at foretage disse tilnærmelser.

Bernoullis ligning gælder faktisk for det, der kaldes laminar flow, og beskriver i det væsentlige bevægende væsker med en jævn eller strømlinet strøm. Det kan hjælpe med at tænke på det som det modsatte af turbulent flow, hvor der er udsving, hvirvler og anden uregelmæssig adfærd.

I denne jævne strøm forbliver de vigtige størrelser som hastighed og tryk, der bruges til at karakterisere strømmen, konstant, og væskestrømmen kan betragtes som foregår i lag. For eksempel på en vandret overflade kunne strømmen modelleres som en række parallelle, vandrette lag vand eller gennem et rør kunne det betragtes som en række stadig mindre koncentriske cylindre.

Nogle eksempler på laminær strømning kan hjælpe dig med at forstå, hvad det er, og et hverdagseksempel er vandet, der kommer ud fra bunden af ​​en vandhane. Først dribler det, men hvis du åbner vandhanen lidt mere, får du en jævn, perfekt strøm af vand ud af det - dette er laminær strømning - og ved højere niveauer bliver det stadigturbulent. Røgen, der kommer fra spidsen af ​​en cigaret, viser også laminær strømning, en jævn strøm i starten, men bliver derefter turbulent, når den kommer længere væk fra spidsen.

Laminær strømning er mere almindelig, når væsken bevæger sig langsomt, når den har høj viskositet, eller når den kun har en lille mængde plads til at strømme igennem. Dette blev demonstreret i et berømt eksperiment af Osborne Reynolds (kendt for Reynolds-nummeret, som vil blive diskuteret mere i det næste afsnit), hvor han injicerede farvestof i en væskestrøm gennem et glas rør.

Når strømmen var langsommere, flyttede farvestoffet sig i en lige sti, ved højere hastigheder bevæger det sig til et overgangsmønster, mens det ved meget højere hastigheder bliver turbulent.

Turbulent flow er den kaotiske strømningsbevægelse, der har tendens til at ske ved højere hastigheder, hvor væsken har et større rum at strømme igennem, og hvor viskositeten er lav. Dette er kendetegnet ved hvirvler, hvirvler og vågne, hvilket gør det meget vanskeligt at forudsige de nøjagtige bevægelser i strømmen på grund af den kaotiske opførsel. I turbulent flow ændres hastigheden og retningen (dvs. hastigheden) af væsken kontinuerligt.

Der er mange flere eksempler på turbulent strøm i det daglige liv, herunder vind, flodstrøm, vandet i i kølvandet på en båds rejse, luftstrømmen omkring spidserne på et flys vinge og blodstrømmen igennem arterier. Årsagen til dette er, at laminær strømning virkelig kun sker under særlige omstændigheder. For eksempel skal du åbne en vandhane en bestemt mængde for at få en laminær strøm, men hvis du bare åbner den til et vilkårligt niveau, vil strømmen sandsynligvis være turbulent.

Reynolds-nummeret på et system kan give dig information omovergangsstedmellem laminær og turbulent strømning samt mere generel information om situationer i væskedynamik. Formlen for Reynolds-nummeret er:

Hvorρer densiteten,ver hastigheden,Ler den karakteristiske længde (f.eks. diameteren på et rør) ogμer væskens dynamiske viskositet. Resultatet er et dimensionsløst tal, der karakteriserer væskestrømmen, og det kan bruges til at skelne mellem laminær strømning og turbulent strømning, når du kender strømningens karakteristika. En strømning vil være laminær, når Reynolds-tallet er mindre end 2.300 og turbulent, når det er et højt Reynolds-tal over 4.000, hvor de mellemliggende trin er turbulente flow.

Væskedynamik har masser af applikationer i den virkelige verden, fra det åbenlyse til det ikke så indlysende. En af de mere forventede anvendelser er design af VVS-systemer, som skal tage højde for, hvordan væsken strømmer gennem rørene for at sikre, at alt fungerer som det skal. I praksis kan en blikkenslager gennemgå deres opgaver uden en forståelse af væskedynamik, men det er vigtigt for designet af rør, hjørner og VVS-systemer generelt.

Havstrømme (og atmosfæriske strømme) er et andet område, hvor væskedynamik spiller en integreret rolle, og der er mange specifikke områder, som fysikere undersøger og arbejder med. Havet og atmosfæren er begge roterende, lagdelte systemer og begge har en lang række kompleksiteter, der påvirker deres adfærd.

At forstå, hvad der driver de forskellige oceaniske og atmosfæriske strømme, er dog en afgørende opgave i moderne tidsalder, især med de yderligere udfordringer, som globale klimaforandringer og andre menneskeskabte medfører påvirkninger. Systemerne er dog generelt komplekse, og så beregningsvæskedynamik bruges ofte til at modellere og forstå disse systemer.

Et mere velkendt eksempel viser de mindre måder, som væskedynamik kan bidrage til at forstå fysiske systemer: en curveball i baseball. Når spin overføres til kastet, har det den effekt, at en del af luften, der bevæger sig mod centrifugeringen, sænkes, og den del, der bevæger sig med spin, fremskyndes.

Dette skaber en trykforskel på tværs af forskellige sider af kuglen ifølge Bernoullis ligning, som driver kuglen mod lavtryksområdet (siden af ​​kuglen spinder i retning af bevægelse).