Динамика флуида (преглед): Основи, терминологија и једначине

Проучавање динамике флуида може се чинити уском темом у физици. У свакодневном говору, рецимо, кажете „течности“ када мислите на течности, посебно на нешто попут протока воде. И зашто бисте желели да потрошите толико времена само гледајући кретање нечега тако свакодневног?

Али овај начин размишљања погрешно разуме природу проучавања течности и занемарује многе различите примене динамике флуида. Поред тога што је корисна за разумевање ствари попут океанских струја, динамика течности има примену и у областима попут тектонике плоча, еволуције звезда, циркулације крви и метеорологије.

Кључни концепти су такође пресудни за инжењеринг и дизајн, а савладавање динамике флуида отвара врата рад са стварима попут ваздухопловног инжењерства, ветротурбина, система за климатизацију, ракетних мотора и цеви мрежама.

Први корак ка откривању разумевања које вам је потребно за рад на оваквим пројектима је разумевање основе динамике флуида, термини које физичари користе када говоре о томе и најважније једначине које владају то.

Значење динамике флуида може се разумети ако рашчланите поједине речи у фрази. „Течност“ се односи на течност или некомпресибилну течност, али се технички може односити и на гас, што знатно проширује обим теме. „Динамички“ део имена каже вам да укључује проучавање покретних течности или кретање течности, а не статику течности, што је проучавање течности које се не крећу.

Постоји уска веза између динамике флуида, механике флуида и аеродинамике. Механика флуида је широк појам који покрива и проучавањекретање течностии статичке течности, па динамика флуида заиста чини половину механике флуида (и то је део са најтрајнијим истраживањима).

Аеродинамика се, с друге стране, бавиискључивоса гасовима, док динамика флуида покрива и гасове и течности. Иако постоји корист од специјализације ако знате да бисте радије радили у аеродинамици, динамика флуида је најшире и најактивније поље у том подручју.

Кључни фокус динамике течности јекако течност тече, па је разумевање основа пресудно за сваког ученика. Међутим, кључне тачке су интуитивно једноставне: течности теку низбрдо и као резултат разлика у притиску. Проток низбрдо се покреће гравитационом потенцијалном енергијом, а проток услед разлика у притисцима је у основи вођена неравнотежом између снага на једној и другој локацији, у складу са Њутновом другом закон.

Једначина континуитета израз је прилично сложеног изгледа, али заправо само преноси врло једноставну поенту: материја је очувана током протока течности. Дакле, количина течности која тече иза тачке 1 мора се подударати са тачком која тече иза тачке 2, другим речима,масени протокје константа. Једначина олакшава конкретно сагледавање шта ово значи:

Гдеρје густина,А.је површина попречног пресека ивје брзина, а индекси 1 и 2 односе се на тачку 1, односно тачку 2. Пажљиво размислите о појмовима из једначине узимајући у обзир проток течности: Површина попречног пресека узима једну, дводимензионални „пресек“ протока течности у датој тачки, а брзина вам говори колико брзо било који појединачни пресек течност се креће.

Преостали део слагалице, густина, осигурава да се ово уравнотежи са количином компресије течности у различитим тачкама. То је тако да ако се гас стисне између тачке 1 и тачке 2, већа количина материје по јединици запремине у тачки 2 узима се у обзир у једначини.

Ако комбинујете јединице за три члана на свакој страни, видећете да је резултујућа јединица за израз вредност у маси / времену, тј. Кг / с. Једначина изричито одговара брзини протока материје у две различите тачке на свом путу.

Берноуллијев принцип је један од најважнијих резултата у динамици течности, а речима је да је притисак нижи у регионима где течност брже тече. Међутим, када се ово изрази у облику Берноуллијеве једначине, постаје јасно да је ово изјаваочување енергијепримењено на динамику флуида.

У суштини се наводи да је густина енергије (тј. Енергија у јединици запремине) једнака а константа, или (еквивалентно) да пре и после дате тачке остане зброј ова три члана исти. У симболима:

Први члан даје енергију притиска (са притиском =П.), други члан даје кинетичку енергију по јединици запремине, а трећи даје потенцијалну енергију (саг= 9,81 м / с² их= висина цеви). Ако сте упознати са једначинама очувања енергије или импулса у физици, већ ћете имати добру идеју како да користите ову једначину.

Ако знате почетне вредности и бар неке детаље цеви и течности након изабране тачке, преосталу вредност можете сазнати преуређивањем једначине.

Важно је напоменути нека упозорења у вези са Берноуллијевом једначином. Претпоставља се да обе тачке леже на струји, да је проток сталан, да нема трења и да течност има константну густину.

Ово су рестриктивна ограничења у формули, и ако сте билистроготачно, ниједна покретна течност не би задовољила ове захтеве. Међутим, као што је то често случај у физици, многи случајеви се могу приближно описати на овај начин, а да би прорачун био много једноставнији, вреди направити ове апроксимације.

Бернулијева једначина се заправо односи на оно што се назива ламинарним протоком и у основи описује покретне течности са глатким или равномерним протоком. Може вам помоћи да о томе размишљате као о супротности од турбулентног тока, где постоје флуктуације, вртлози и друга неправилна понашања.

У овом стабилном протоку важне величине попут брзине и притиска које се користе за карактеризацију протока остају константне, а за проток флуида се може сматрати да се одвија у слојевима. На пример, на хоризонталној површини проток се може моделирати као низ паралелних, хоризонталних слојеви воде или кроз цев то би се могло сматрати низом све мањих концентричних цилиндри.

Неки примери ламинарног протока требало би да вам помогну да разумете шта је то, а један свакодневни пример је вода која излази из дна славине. У почетку капље, али ако отворите славину још мало, из ње ћете добити глатки, савршени млаз воде - ово је ламинарни ток - а на вишим нивоима и даље постајеузбуркан. Дим који излази из врха цигарете такође показује ламинарни ток, испрва гладак млаз, али затим постаје турбулентан како се удаљава од врха.

Ламинарни ток је чешћи када се течност споро креће, када има високу вискозност или када има само малу количину простора за протицање. То је демонстрирао у познатом експерименту Осборне Реинолдс (познат по Реинолдсовом броју, који биће више речи у следећем одељку), у којем је убризгавао боју у проток течности кроз чашу цев.

Када је проток био спорији, боја се кретала правоцртно, при већим брзинама прелази на прелазни образац, док при много већим брзинама постаје турбулентна.

Турбулентно струјање је хаотично кретање протока које се обично дешава при већим брзинама, где течност има већи простор за протицање и где је вискозност мала. Ово карактеришу вртлози, вртлози и буђења, што отежава предвиђање прецизних кретања у току због хаотичног понашања. У турбулентном протоку, брзина и смер (тј. Брзина) течности се непрекидно мењају.

Постоји много више примера турбулентног протока у свакодневном животу, укључујући ветар, речни ток и воду у након путовања бродом, проток ваздуха око врхова крила ваздухоплова и проток крви артерије. Разлог томе је што се ламинарни ток заиста дешава само у посебним околностима. На пример, морате отворити славину одређену количину да бисте добили ламинарни проток, али ако је отворите на произвољан ниво, проток ће вероватно бити турбулентан.

Реинолдсов број система може вам дати информације отачка прелазаизмеђу ламинарног и турбулентног протока, као и општије информације о ситуацијама у динамици флуида. Формула за Реинолдс-ов број је:

Гдеρје густина,вје брзина,Лје карактеристична дужина (нпр. пречник цеви) иμје динамичка вискозност течности. Резултат је бездимензионални број који карактерише проток течности и може се користити за разликовање ламинарног и турбулентног протока када знате карактеристике протока. Проток ће бити ламинарни када је Реинолдс-ов број мањи од 2.300, а турбулентан када је Реинолдс-ов висок број већи од 4.000, а међуфазе ће бити турбулентне.

Динамика флуида има мноштво апликација из стварног света, од очигледних до не тако очигледних. Једна од најочекиванијих примена је на дизајнирању водоводних система, који морају узети у обзир како ће течност тећи кроз цеви како би се осигурало да све функционише како је предвиђено. У пракси водоинсталатер може да пролази кроз своје задатке без разумевања динамике флуида, али је од суштинског значаја за дизајн цеви, углова и водоводних система уопште.

Океанске струје (и атмосферске струје) су још једно подручје у којем динамика флуида игра интегралну улогу и постоји много специфичних области које физичари истражују и са којима раде. Океан и атмосфера су ротирајући, слојевити системи и обојица имају мноштво сложености које утичу на њихово понашање.

Међутим, разумевање шта покреће различите океанске и атмосферске струје је пресудан задатак у савремено доба, посебно са додатним изазовима које представљају глобалне климатске промене и други антропогени утицаји. Системи су, међутим, углавном сложени, па се рачунска динамика флуида често користи за моделирање и разумевање ових система.

Познатији пример показује начине на које динамика флуида може допринети разумевању физичких система: криве у бејзболу. Када се завртањ пренесе на бацање, то доводи до успоравања дела ваздуха који се креће према окретају и убрзавања дела који се креће окретањем.

Ово ствара разлику у притиску на различитим странама лопте, према Берноуллијевој једначини, који покреће куглу према подручју ниског притиска (страни лопте која се окреће у правцу кретање).