Skysčių dinamika (apžvalga): pagrindai, terminologija ir lygtys

Skysčių dinamikos tyrimas gali atrodyti siaura fizikos tema. Kasdienėje kalboje jūs sakote „skysčiai“, kai turite omenyje skysčius, ypač panašius į vandens srautą. Ir kodėl jūs norėtumėte praleisti tiek laiko tiesiog žiūrėdami į kažko tokio kasdieniško judesį?

Tačiau toks mąstymo būdas neteisingai supranta skysčių tyrimo pobūdį ir nepaiso daugybės skirtingų skysčių dinamikos pritaikymų. Skysčių dinamika yra naudinga ne tik vandenyno srovėms suprasti, bet ir tokiose srityse kaip plokščių tektonika, žvaigždžių evoliucija, kraujotaka ir meteorologija.

Pagrindinės sąvokos taip pat yra labai svarbios inžinerijai ir projektavimui, o skysčių dinamikos įvaldymas atveria duris darbas su kosminės erdvės inžinerija, vėjo turbinomis, oro kondicionavimo sistemomis, raketų varikliais ir vamzdžiais tinklus.

Pirmasis žingsnis norint suprasti supratimą, kurį reikia dirbti su tokiais projektais, yra suprasti skysčių dinamikos pagrindai, fizikai vartojami terminai kalbėdami apie tai ir svarbiausios lygtys, valdančios tai.

Skysčio dinamikos prasmę galima suprasti, jei suskaidote atskirus žodžio žodžius. „Skystis“ reiškia skystį arba nesuspaudžiamą skystį, tačiau techniškai jis gali reikšti ir dujas, kurios iš esmės praplečia temos taikymo sritį. Pavadinimo „dinaminė“ dalis nurodo, kad tai apima ne judančių skysčių, o judančių skysčių ar skysčių judėjimo tyrimus.

Tarp skysčių dinamikos, skysčių mechanikos ir aerodinamikos yra glaudus ryšys. Skysčių mechanika yra platus terminas, apimantis ir tyrimąskysčio judesysir statiniai skysčiai, taigi skysčių dinamika iš tikrųjų sudaro pusę skysčių mechanikos (ir tai dalis, kurioje atliekami patys naujausi tyrimai).

Kita vertus, užsiima aerodinamikaišimtinaisu dujomis, o skysčių dinamika apima ir dujas, ir skysčius. Nors specializacija yra naudinga, jei žinote, kad norėtumėte dirbti aerodinamikos srityje, skysčių dinamika yra plačiausia ir aktyviausia sritis šioje srityje.

Pagrindinis skysčių dinamikos akcentas yrakaip teka skysčiai, todėl suprasti pagrindus yra labai svarbu kiekvienam studentui. Tačiau pagrindiniai dalykai yra intuityviai paprasti: skysčiai teka žemyn ir dėl slėgio skirtumų. Kalno srautą lemia gravitacijos potencialo energija, o srautas dėl slėgio skirtumų yra iš esmės lemia disbalansas tarp jėgų vienoje ir kitoje vietoje, atitinkantis antrąjį Niutono įstatymas.

Tęstinumo lygtis yra gana sudėtingos išvaizdos išraiška, tačiau ji iš tikrųjų tik perteikia labai paprastą dalyką: materija išsaugoma skysčio srauto metu. Taigi skysčio, tekančio pro 1 tašką, kiekis turi sutapti su tašku, tekančiu pro 2 tašką, kitaip tariant,masės srautasyra pastovus. Lygtis leidžia lengvai suprasti, ką tai reiškia:

Kurρyra tankis,Ayra skerspjūvio plotas irvyra greitis, o 1 ir 2 abonementai nurodo atitinkamai 1 ir 2 punktus. Atidžiai pagalvokite apie lygties terminus, atsižvelgdami į skysčio srautą: skerspjūvio plotas užima vieną, dvimatis skysčio srauto „pjūvis“ tam tikrame taške, o greitis nurodo, kaip greitai pavienis skerspjūvis skystis juda.

Likęs galvosūkio gabalas, tankis, užtikrina, kad tai bus subalansuota su skysčio suspaudimo kiekiu skirtinguose taškuose. Taip yra todėl, kad jei dujos suspaudžiamos tarp 1 ir 2 taškų, lygtyje atsižvelgiama į didesnį medžiagos kiekį tūrio vienetui 2 taške.

Sujungę trijų terminų vienetus kiekvienoje pusėje, pamatysite, kad gautas išraiškos vienetas yra masės / laiko vertė, t. Y. Kg / s. Lygtis aiškiai atitinka medžiagos srauto greitį dviejuose skirtinguose kelionės taškuose.

Bernoulli principas yra vienas iš svarbiausių skysčių dinamikos rezultatų, žodžiais tariant, jis teigia, kad slėgis yra mažesnis regionuose, kur skystis teka greičiau. Tačiau kai tai išreiškiama Bernoulli lygties forma, tampa aišku, kad tai yraenergijos taupymastaikoma skysčių dinamikai.

Iš esmės teigiama, kad energijos tankis (t. Y. Energija tūrio vienete) yra lygus a pastovus arba (lygiavertis), kad prieš ir po tam tikro taško išlieka šių trijų terminų suma tas pats. Simboliais:

Pirmasis terminas pateikia slėgio energiją (su slėgiu =P), antrasis terminas suteikia kinetinę energiją tūrio vienetui, o trečias - potencialią energiją (sug= 9,81 m / s² irh= vamzdžio aukštis). Jei esate susipažinę su energijos išsaugojimu ar impulsų lygtimis fizikoje, jau turėsite gerą idėją, kaip naudoti šią lygtį.

Jei žinote pradines vertes ir bent jau keletą detalių apie vamzdį ir skystį po pasirinkto taško, likusią vertę galite sužinoti pertvarkę lygtį.

Svarbu atkreipti dėmesį į keletą įspėjimų dėl Bernoulli lygties. Daroma prielaida, kad abu taškai yra ant srovės linijos, kad srautas yra pastovus, nėra trinties ir kad skysčio tankis yra pastovus.

Tai yra ribojantys formulės apribojimai, ir jei jūs būtumėtegriežtaitikslūs, jokie judantys skysčiai neatitiktų šių reikalavimų. Tačiau, kaip dažnai būna fizikoje, daugelį atvejų galima apytiksliai apibūdinti tokiu būdu, o norint atlikti skaičiavimą daug paprasčiau, verta atlikti šiuos apytikslius duomenis.

Bernoulli lygtis iš tikrųjų taikoma vadinamajam laminariniam srautui ir iš esmės apibūdina judančius skysčius, kurių srautas yra lygus arba paprastas. Tai gali padėti galvoti apie tai kaip priešingą turbulentiniam srautui, kur yra svyravimų, sūkurių ir kitokio netaisyklingo elgesio.

Šiame pastoviame sraute svarbūs kiekiai, tokie kaip greitis ir slėgis, naudojami srautui apibūdinti, išlieka pastovūs, ir galima manyti, kad skysčio srautas vyksta sluoksniais. Pavyzdžiui, ant horizontalaus paviršiaus srautas galėtų būti modeliuojamas kaip lygiagrečios, horizontalios serijos vandens sluoksnius arba per vamzdelį tai galėtų būti laikoma vis mažesnių koncentrinių serija cilindrai.

Keli laminarinio srauto pavyzdžiai turėtų padėti suprasti, kas tai yra, o vienas kasdienis pavyzdys yra vanduo, atsirandantis iš čiaupo dugno. Iš pradžių jis varva, bet jei dar šiek tiek atidarote čiaupą, iš jo gausite sklandų, tobulą vandens srautą - tai yra laminarinis srautas - ir aukštesniame lygyje jisaudringas. Dūmai, atsirandantys iš cigaretės galiuko, iš pradžių taip pat rodo laminarinį srautą, sklandų srautą, bet vėliau tampa labiau neramūs, kai tolsta nuo galo.

Laminarinis srautas yra dažnesnis, kai skystis juda lėtai, kai jo klampa yra didelė arba kai jame teka tik nedaug vietos. Tai parodė garsus Osborne'o Reynoldso eksperimentas (žinomas dėl Reinoldso numerio, kuris bus plačiau aptariamas kitame skyriuje), kuriame jis įpurškė dažų į skysčio srautą per stiklinę vamzdelis.

Kai srautas buvo lėtesnis, dažai judėjo tiesiu keliu, didesniu greičiu jie pereina į pereinamąjį modelį, o daug didesniu greičiu jie tampa turbulentiški.

Turbulentinis srautas yra chaotiškas srauto judėjimas, linkęs vykti didesniu greičiu, kai skysčio erdvė yra didesnė, o klampa yra maža. Tam būdingi sūkuriai, sūkuriai ir pabudimai, todėl labai sunku numatyti tikslius srauto judesius dėl chaotiško elgesio. Turbulentiniame sraute skysčio greitis ir kryptis (t. Y. Greitis) nuolat keičiasi.

Yra daug daugiau neramių srautų kasdieniame gyvenime pavyzdžių, įskaitant vėją, upės tėkmę, vandenį po valties kelionės oro srautas aplink orlaivio sparno galiukus ir kraujo tekėjimas arterijos. To priežastis yra ta, kad laminarinis srautas iš tikrųjų vyksta tik esant ypatingoms aplinkybėms. Pavyzdžiui, jei norite gauti laminarinį srautą, turite atidaryti maišytuvą tam tikru kiekiu, tačiau jei tik atidarysite jį į savavališką lygį, srautas greičiausiai bus neramus.

Reynoldso sistemos numeris gali suteikti jums informacijos apieperėjimo taškastarp laminarinio ir turbulentinio srauto, taip pat bendresnė informacija apie skysčių dinamikos situacijas. Reinoldso skaičiaus formulė yra:

Kurρyra tankis,vyra greitis,Lyra būdingas ilgis (pvz., vamzdžio skersmuo) irμyra dinaminė skysčio klampa. Rezultatas yra bevielis skaičius, apibūdinantis skysčio srautą, ir jį galima naudoti norint atskirti laminarinį srautą ir turbulentinį srautą, kai žinote srauto charakteristikas. Srautas bus laminarinis, kai Reinoldso skaičius bus mažesnis nei 2300, ir turbulentiškas, kai didelis Reinoldso skaičius viršys 4000, o tarpiniai etapai bus turbulentinis srautas.

Skysčių dinamika turi daugybę pritaikymų realiame pasaulyje, nuo akivaizdžių iki ne tokių akivaizdžių. Viena iš labiau tikėtinų programų yra vandentiekio sistemų projektavimas, kuriame reikia atsižvelgti į tai, kaip skystis tekės vamzdžiais, kad viskas veiktų taip, kaip numatyta. Praktiškai santechnikas gali atlikti savo užduotis nesuprasdamas skysčių dinamikos, tačiau tai būtina projektuojant vamzdžius, kampus ir santechnikos sistemas apskritai.

Vandenyno srovės (ir atmosferos srovės) yra dar viena sritis, kurioje skysčių dinamika vaidina neatsiejamą vaidmenį, ir yra daugybė specifinių sričių, kurias fizikai tyrinėja ir kuria. Vandenynas ir atmosfera yra besisukančios, stratifikuotos sistemos, ir jų abiejų sudėtingumas daro įtaką jų elgesiui.

Tačiau suprasti, kas lemia skirtingas vandenyno ir atmosferos sroves, yra esminis ES uždavinys šiuolaikinis amžius, ypač su papildomais iššūkiais, kuriuos kelia pasaulinė klimato kaita ir kiti antropogeniniai veiksniai poveikis. Tačiau sistemos paprastai yra sudėtingos, todėl modeliuojant ir suprantant šias sistemas dažnai naudojama skaičiavimo skysčių dinamika.

Labiau žinomas pavyzdys rodo mažesnio masto būdus, kaip skysčių dinamika gali padėti suprasti fizines sistemas: kreivinis beisbolo kamuolys. Kai spiningas perduodamas metimui, tai sulėtina dalį oro, judančio prieš sukimąsi, ir pagreitina dalį, judančią kartu su sukimu.

Tai sukuria slėgio skirtumą skirtingose ​​rutulio pusėse, pagal Bernoulli lygtį, kuris varo kamuolį link žemo slėgio srities (kamuolio šonas sukasi į judesio).