การศึกษาพลศาสตร์ของไหลอาจดูเหมือนเป็นหัวข้อที่แคบในวิชาฟิสิกส์ ในการพูดในชีวิตประจำวัน คุณจะพูดว่า "ของเหลว" เมื่อคุณหมายถึงของเหลว โดยเฉพาะอย่างยิ่งบางอย่างเช่นการไหลของน้ำ และทำไมคุณถึงต้องการใช้เวลามากมายเพียงแค่ดูการเคลื่อนไหวของบางสิ่งที่ดูธรรมดา?
แต่วิธีคิดนี้ทำให้เกิดความเข้าใจผิดเกี่ยวกับธรรมชาติของการศึกษาของไหล และไม่สนใจการประยุกต์ใช้พลศาสตร์ของไหลต่างๆ มากมาย นอกจากจะมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจสิ่งต่าง ๆ เช่น กระแสน้ำในมหาสมุทร พลวัตของของไหลยังมีประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น การแปรสัณฐานของแผ่นเปลือกโลก วิวัฒนาการของดาว การไหลเวียนโลหิต
แนวคิดหลักยังมีความสำคัญอย่างยิ่งต่องานวิศวกรรมและการออกแบบ และความเชี่ยวชาญของพลศาสตร์ของไหลเปิดประตูสู่ การทำงานกับสิ่งต่างๆ เช่น วิศวกรรมการบินและอวกาศ กังหันลม ระบบปรับอากาศ เครื่องยนต์จรวด และท่อ เครือข่าย
ขั้นตอนแรกในการปลดล็อกความเข้าใจที่คุณต้องใช้ในการทำงานในโครงการเช่นนี้ คือการทำความเข้าใจ พื้นฐานของพลศาสตร์ของไหล คำศัพท์ที่นักฟิสิกส์ใช้เมื่อพูดถึงมัน และสมการที่สำคัญที่สุดในการปกครอง มัน.
พื้นฐานของพลศาสตร์ของไหล
ความหมายของพลศาสตร์ของไหลสามารถเข้าใจได้หากคุณแยกคำแต่ละคำในวลี “ของไหล” หมายถึงของเหลวหรือของไหลที่ไม่สามารถบีบอัดได้ แต่ในทางเทคนิคแล้วยังสามารถอ้างอิงถึงก๊าซ ซึ่งขยายขอบเขตของหัวข้อได้อย่างมาก ส่วน "ไดนามิก" ของชื่อบอกคุณว่าเกี่ยวข้องกับการศึกษาการเคลื่อนที่ของของไหลหรือการเคลื่อนที่ของของไหล มากกว่าที่จะเป็นการศึกษาเกี่ยวกับของเหลวที่ไม่เคลื่อนที่
มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดระหว่างพลศาสตร์ของไหล กลศาสตร์ของไหล และอากาศพลศาสตร์ กลศาสตร์ของไหลเป็นคำที่กว้างซึ่งครอบคลุมทั้งการศึกษาของการเคลื่อนที่ของของไหลและของไหลสถิต และพลวัตของไหลประกอบด้วยกลศาสตร์ของไหลถึงครึ่งหนึ่งจริงๆ (และเป็นส่วนที่มีการวิจัยอย่างต่อเนื่องที่สุด)
ในทางกลับกัน แอโรไดนามิกส์ ข้อตกลงเฉพาะกับก๊าซ ในขณะที่พลศาสตร์ของไหลครอบคลุมทั้งก๊าซและของเหลว แม้ว่าความเชี่ยวชาญพิเศษจะเป็นประโยชน์หากคุณรู้ว่าคุณต้องการทำงานในแอโรไดนามิกมากกว่า พลศาสตร์ของไหลเป็นสนามที่กว้างที่สุดและมีการเคลื่อนไหวมากที่สุดในพื้นที่
จุดสนใจหลักของพลศาสตร์ของไหลคือการไหลของของเหลวดังนั้นการเข้าใจพื้นฐานจึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักเรียนทุกคน อย่างไรก็ตาม ประเด็นสำคัญนั้นเรียบง่ายโดยสัญชาตญาณ: ของไหลไหลลงเนินและเป็นผลมาจากความแตกต่างของแรงดัน การไหลลงเนินถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานศักย์โน้มถ่วง และการไหลเนื่องจากความแตกต่างของแรงดันคือ โดยหลักแล้วขับเคลื่อนโดยความไม่สมดุลระหว่างกองกำลังที่ตำแหน่งหนึ่งกับอีกตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งสอดคล้องกับวินาทีของนิวตัน New กฎหมาย.
สมการความต่อเนื่อง
สมการความต่อเนื่องเป็นนิพจน์ที่ดูค่อนข้างซับซ้อน แต่จริงๆ แล้วเป็นเพียงการสื่อถึงจุดที่ง่ายมาก: สสารจะถูกอนุรักษ์ไว้ระหว่างการไหลของของไหล ดังนั้นปริมาณของไหลที่ไหลผ่านจุดที่ 1 จะต้องตรงกับจุดที่ไหลผ่านจุดที่ 2 กล่าวคืออัตราการไหลของมวลเป็นค่าคงที่ สมการนี้ทำให้ง่ายต่อการดูว่าสิ่งนี้หมายถึงอะไร:
ρ_1A_1v_1= ρ_2A_2v_2
ที่ไหนρคือความหนาแน่นอาคือพื้นที่หน้าตัด และวีคือความเร็ว และตัวห้อย 1 และ 2 อ้างถึงจุดที่ 1 และจุดที่ 2 ตามลำดับ คิดเกี่ยวกับเงื่อนไขในสมการอย่างรอบคอบในขณะที่พิจารณาการไหลของของไหล: พื้นที่หน้าตัดใช้ค่าเดียว "ชิ้น" สองมิติของการไหลของของไหล ณ จุดที่กำหนด และความเร็วบอกคุณว่าหน้าตัดเดียวของ ของเหลวกำลังเคลื่อนที่
ชิ้นส่วนที่เหลือของจิ๊กซอว์ ความหนาแน่น ช่วยให้มั่นใจว่าสิ่งนี้สมดุลกับปริมาณการอัดของไหลที่จุดต่างๆ ทั้งนี้เพื่อที่ว่าถ้าก๊าซถูกบีบอัดระหว่างจุดที่ 1 และจุดที่ 2 ปริมาณสสารต่อหน่วยปริมาตรที่จุดที่ 2 มากขึ้นจะถูกนำมาพิจารณาในสมการ
หากคุณรวมหน่วยของทั้งสามเทอมในแต่ละด้าน คุณจะเห็นว่าหน่วยผลลัพธ์สำหรับนิพจน์นั้นเป็นค่าในมวล/เวลา นั่นคือ kg / s สมการจะจับคู่อัตราการไหลของสสารที่จุดต่าง ๆ สองจุดในการเดินทางอย่างชัดเจน
สมการเบอร์นูลลี
หลักการของ Bernoulli เป็นหนึ่งในผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดในพลศาสตร์ของไหล และกล่าวได้ว่าแรงดันจะต่ำกว่าในบริเวณที่ของไหลไหลเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อสิ่งนี้แสดงออกมาในรูปของสมการของเบอร์นูลลี จะเห็นได้ชัดเจนว่านี่คือคำสั่งของการอนุรักษ์พลังงานนำไปใช้กับพลศาสตร์ของไหล
โดยพื้นฐานแล้วระบุว่าความหนาแน่นของพลังงาน (เช่น พลังงานในหน่วยปริมาตร) เท่ากับ a ค่าคงที่ หรือ (เทียบเท่า) ที่ก่อนและหลังจุดที่กำหนด ผลรวมของคำทั้งสามนี้ยังคงอยู่ เหมือน. ในสัญลักษณ์:
P_1 + \frac{1}{2} ρv_1^2 + ρgh_1 = P_2 + \frac{1}{2} ρv_2^2 + ρgh_2
เทอมแรกให้พลังงานความดัน (ด้วยความดัน =พี) เทอมที่สองให้พลังงานจลน์ต่อหน่วยปริมาตร และเทอมที่สามให้พลังงานศักย์ (ด้วยก= 9.81 ม./วินาที2 และห่า= ความสูงของท่อ) หากคุณคุ้นเคยกับการอนุรักษ์พลังงานหรือสมการโมเมนตัมในฟิสิกส์ คุณก็จะมีแนวคิดที่ดีในการใช้สมการนี้
หากคุณทราบค่าเริ่มต้นและอย่างน้อยรายละเอียดของท่อและของเหลวหลังจากจุดที่เลือก คุณสามารถค้นหาค่าที่เหลือได้โดยการจัดเรียงสมการใหม่
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตข้อควรระวังบางประการเกี่ยวกับสมการของเบอร์นูลลี สันนิษฐานว่าจุดทั้งสองอยู่บนเส้นลมปราณ การไหลคงที่ ไม่มีแรงเสียดทาน และของไหลมีความหนาแน่นคงที่
นี่เป็นข้อจำกัดของสูตร และถ้าคุณเป็นอย่างเคร่งครัดแม่นยำ ไม่มีของเหลวเคลื่อนที่ใดที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับในวิชาฟิสิกส์ หลายๆ กรณีสามารถอธิบายได้โดยประมาณด้วยวิธีนี้ และเพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้นมาก การทำค่าประมาณเหล่านี้จึงคุ้มค่า
ลามินาร์โฟลว์
สมการของเบอร์นูลลีใช้กับสิ่งที่เรียกว่าการไหลแบบราบ และโดยพื้นฐานแล้วจะอธิบายของไหลที่เคลื่อนที่ด้วยการไหลที่ราบรื่นหรือคล่องตัว สามารถช่วยคิดในแง่ตรงข้ามกับกระแสน้ำเชี่ยวซึ่งมีความผันผวน กระแสน้ำวน และพฤติกรรมที่ไม่ปกติอื่นๆ
ในการไหลแบบคงที่นี้ ปริมาณที่สำคัญ เช่น ความเร็วและความดันที่ใช้ในการกำหนดลักษณะการไหลจะคงที่ และการไหลของของไหลสามารถถือได้ว่าเกิดขึ้นในชั้นต่างๆ ตัวอย่างเช่น บนพื้นผิวแนวนอน การไหลสามารถจำลองเป็นชุดของขนาน, แนวนอน ชั้นของน้ำหรือผ่านท่อ ถือได้ว่าเป็นชุดของศูนย์กลางที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ กระบอกสูบ
ตัวอย่างบางส่วนของการไหลแบบลามินาร์ควรช่วยให้คุณเข้าใจว่ามันคืออะไร และตัวอย่างหนึ่งในชีวิตประจำวันคือน้ำที่โผล่ออกมาจากก้นก๊อก ในตอนแรก มันจะเลี้ยงลูก แต่ถ้าคุณเปิดก๊อกน้ำอีกหน่อย คุณจะได้กระแสน้ำที่ราบรื่นและสมบูรณ์แบบ - นี่คือการไหลแบบราบเรียบ - และในระดับที่สูงขึ้นก็ยังคงกลายเป็นปั่นป่วน. ควันที่โผล่ออกมาจากปลายบุหรี่ยังแสดงให้เห็นการไหลเป็นลามินาร์ ซึ่งเป็นลำธารที่ราบรื่นในตอนแรก แต่หลังจากนั้นจะปั่นป่วนเมื่อห่างจากปลายบุหรี่มากขึ้น
การไหลแบบลามินาร์เป็นเรื่องปกติมากขึ้นเมื่อของไหลเคลื่อนที่ช้า เมื่อมีความหนืดสูง หรือเมื่อมีพื้นที่ให้ไหลผ่านเพียงเล็กน้อยเท่านั้น สิ่งนี้แสดงให้เห็นในการทดลองที่มีชื่อเสียงโดย Osborne Reynolds (รู้จักกันในชื่อ Reynolds number ซึ่ง จะกล่าวเพิ่มเติมในตอนต่อไป) ซึ่งท่านได้ฉีดสีย้อมเข้าไปในของเหลวที่ไหลผ่านแก้ว หลอด.
เมื่อการไหลช้าลง สีย้อมจะเคลื่อนที่ในเส้นทางเส้นตรง ที่ความเร็วสูงกว่า สีย้อมจะเคลื่อนที่ไปยังรูปแบบการนำส่ง ในขณะที่ความเร็วที่สูงขึ้นมากก็จะเกิดการปั่นป่วน
กระแสน้ำปั่นป่วน
การไหลแบบปั่นป่วนคือการเคลื่อนที่ของการไหลแบบโกลาหลซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นที่ความเร็วสูงกว่า โดยที่ของไหลจะมีช่องว่างขนาดใหญ่กว่าให้ไหลผ่านและมีความหนืดต่ำ ลักษณะนี้มีลักษณะเป็นกระแสน้ำวน กระแสน้ำวน และกระแสน้ำ ซึ่งทำให้ยากต่อการคาดการณ์การเคลื่อนไหวที่แม่นยำในกระแสน้ำ เนื่องจากพฤติกรรมที่วุ่นวาย ในการไหลแบบปั่นป่วน ความเร็วและทิศทาง (เช่น ความเร็ว) ของของไหลจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง
มีตัวอย่างอีกมากมายของกระแสน้ำเชี่ยวในชีวิตประจำวัน ได้แก่ ลม กระแสแม่น้ำ น้ำใน ตื่นจากการเดินทางของเรือ อากาศไหลเวียนรอบปลายปีกเครื่องบิน และกระแสเลือดไหลผ่าน หลอดเลือดแดง เหตุผลก็คือการไหลแบบราบเรียบจะเกิดขึ้นภายใต้สถานการณ์พิเศษเท่านั้น ตัวอย่างเช่น คุณต้องเปิด faucet ในจำนวนที่เจาะจงเพื่อให้ได้การไหลแบบลามินาร์ แต่ถ้าคุณเพียงแค่เปิดมันไปยังระดับที่ต้องการ การไหลนั้นก็มีแนวโน้มที่จะปั่นป่วน
The Reynolds Number
หมายเลข Reynolds ของระบบสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับจุดเปลี่ยนระหว่างการไหลราบเรียบและการไหลปั่นป่วน ตลอดจนข้อมูลทั่วไปเพิ่มเติมเกี่ยวกับสถานการณ์ในพลศาสตร์ของไหล สูตรสำหรับหมายเลข Reynolds คือ:
Re = \frac{ρvL}{μ}
ที่ไหนρคือความหนาแน่นวีคือความเร็วหลี่คือความยาวลักษณะเฉพาะ (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ) และμคือ ความหนืดไดนามิกของของไหล ผลที่ได้คือตัวเลขไร้มิติที่กำหนดลักษณะของการไหลของของไหล และสามารถใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างการไหลแบบราบกับการไหลแบบปั่นป่วนเมื่อคุณทราบลักษณะของการไหล การไหลจะราบเรียบเมื่อจำนวน Reynolds น้อยกว่า 2,300 และปั่นป่วนเมื่อมี Reynolds สูงจำนวนมากกว่า 4,000 โดยขั้นกลางเป็นกระแสปั่นป่วน
การประยุกต์ใช้พลศาสตร์ของไหล
พลวัตของไหลมีการใช้งานจริงมากมาย ตั้งแต่สิ่งที่เห็นชัดไปจนถึงไม่ชัดเจน การใช้งานที่คาดหวังอีกประการหนึ่งคือการออกแบบระบบประปา ซึ่งต้องคำนึงถึงว่าของไหลจะไหลผ่านท่ออย่างไรเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้ ในทางปฏิบัติ ช่างประปาสามารถทำงานของตนได้โดยไม่ต้องเข้าใจพลศาสตร์ของไหล แต่จำเป็นต่อการออกแบบท่อ มุม และระบบประปาโดยทั่วไป
กระแสน้ำในมหาสมุทร (และกระแสน้ำในชั้นบรรยากาศ) เป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่พลศาสตร์ของไหลมีบทบาทสำคัญ และมีหลายพื้นที่ที่นักฟิสิกส์กำลังค้นคว้าและทำงานด้วย มหาสมุทรและชั้นบรรยากาศมีทั้งระบบหมุนเวียนและแบ่งชั้น และทั้งคู่มีความซับซ้อนมากมายที่ส่งผลต่อพฤติกรรมของพวกมัน
อย่างไรก็ตาม การทำความเข้าใจว่าอะไรเป็นตัวขับเคลื่อนกระแสน้ำในมหาสมุทรและบรรยากาศที่แตกต่างกันเป็นภารกิจที่สำคัญใน ยุคใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับความท้าทายเพิ่มเติมที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกและมนุษย์อื่นๆ ผลกระทบ แม้ว่าระบบโดยทั่วไปจะซับซ้อน ดังนั้นพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณจึงมักถูกใช้เพื่อสร้างแบบจำลองและทำความเข้าใจระบบเหล่านี้
ตัวอย่างที่คุ้นเคยมากขึ้นแสดงให้เห็นวิธีการขนาดเล็กกว่าที่พลวัตของไหลสามารถนำไปสู่การทำความเข้าใจระบบทางกายภาพ: ลูกบอลโค้งในกีฬาเบสบอล เมื่อมีการหมุนสปินเข้าสู่การขว้าง มันจะมีผลทำให้ส่วนหนึ่งของอากาศที่เคลื่อนที่ต้านการหมุนช้าลง และเร่งส่วนที่เคลื่อนที่ด้วยการหมุน
สิ่งนี้จะสร้างความแตกต่างของแรงดันในแต่ละด้านของลูกบอลตามสมการของเบอร์นูลลี ซึ่งผลักลูกไปทางบริเวณความกดอากาศต่ำ (ด้านข้างของลูกหมุนไปในทิศทางของ การเคลื่อนไหว)
