At forstå, hvad Fluid Dynamics er

Væskedynamik er studiet af bevægelse af væsker, inklusive deres interaktioner, når to væsker kommer i kontakt med hinanden. I denne sammenhæng refererer udtrykket "væske" til begge væske eller gasser. Det er en makroskopisk, statistisk tilgang til at analysere disse interaktioner i stor skala og se væskerne som et kontinuum af stof og generelt ignorerer det faktum, at væsken eller gassen er sammensat af individuelle atomer.

Væskedynamik er en af ​​de to hovedgrene i væskemekanik, hvor den anden gren er flydende statistik, studiet af væsker i hvile. (Måske ikke overraskende kan fluidstatistikker betragtes som en smule mindre spændende det meste af tiden end væskedynamik.)

Hver disciplin involverer begreber, der er afgørende for at forstå, hvordan den fungerer. Her er nogle af de vigtigste, som du vil støde på, når du prøver at forstå væskedynamik.

De væskekoncepter, der gælder i væskestatik, kommer også i spil, når man studerer væske, der er i bevægelse. Det er stort set det tidligste koncept inden for fluidmekanik

Når væsker strømmer, massefylde og tryk af væskerne er også afgørende for at forstå, hvordan de vil interagere. Det viskositet bestemmer, hvor resistent væsken er mod at ændre sig, så det er også vigtigt for at studere væskens bevægelse. Her er nogle af de variabler, der kommer frem i disse analyser:

• Masseviskositet: μ
• Massefylde: ρ
• Kinematisk viskositet: ν = μ / ρ

Da væskedynamik involverer studiet af væskens bevægelse, er et af de første begreber, der skal forstås, hvordan fysikerne kvantificerer denne bevægelse. Udtrykket, som fysikere bruger til at beskrive de fysiske egenskaber ved væskebevægelse, er flyde. Flow beskriver en lang række fluidbevægelser, sådan blæser gennem luften, strømmer gennem et rør eller løber langs en overflade. Strømningen af ​​en væske klassificeres på en række forskellige måder, baseret på strømningens forskellige egenskaber.

Hvis bevægelsen af ​​væske ikke ændrer sig over tid, betragtes den som en jævn strøm. Dette bestemmes af en situation, hvor alle egenskaber ved strømningen forbliver konstant med hensyn til tid eller skiftevis kan talt om ved at sige, at tidsderivaterne i strømningsfeltet forsvinder. (Tjek beregningen for at få mere at forstå derivater.)

EN stabil tilstand er endnu mindre tidsafhængig, fordi alle fluidegenskaber (ikke kun strømningsegenskaber) forbliver konstante på hvert punkt i fluidet. Så hvis du havde en jævn strøm, men egenskaberne for selve væsken ændrede sig på et tidspunkt (muligvis på grund af en barriere, der forårsager tidsafhængige krusninger i nogle dele af væsken), så ville du have en stabil strøm, der er ikke en stabil tilstand.

Dog er alle stabile strømme eksempler på stadige strømme. En strøm, der flyder med en konstant hastighed gennem et lige rør, ville være et eksempel på en stabil tilstand (og også en stabil strøm).

Hvis selve strømmen har egenskaber, der ændrer sig over tid, kaldes den en ustabil strømning eller a kortvarig strømning. Regn, der strømmer ind i en tagrennet under en storm, er et eksempel på ustabil strømning.

Generelt giver stabile strømme lettere problemer at håndtere end ustabile strømme, hvilket er, hvad man kunne forvente i betragtning af at tidsafhængige ændringer i strømmen behøver ikke tages med i betragtning, og ting, der ændrer sig over tid, vil typisk gøre tingene mere kompliceret.

Det siges, at en jævn strøm af væske har laminær strømning. Det siges, at flow, der indeholder tilsyneladende kaotisk, ikke-lineær bevægelse turbulent strømning. Per definition er en turbulent strøm en type ustabil strømning.

Begge typer strømme kan indeholde virvler, hvirvler og forskellige former for recirkulation, skønt jo mere af sådan opførsel, der findes, desto mere sandsynligt er strømmen at blive klassificeret som turbulent.

Forskellen mellem, om en strømning er laminær eller turbulent, er normalt relateret til Reynolds nummer (Re). Reynolds-tallet blev først beregnet i 1951 af fysiker George Gabriel Stokes, men det er opkaldt efter forskeren fra det 19. århundrede Osborne Reynolds.

Reynolds-tallet er ikke kun afhængig af specificiteten af ​​selve væsken, men også af betingelserne for dets strømning, afledt som forholdet mellem treghedskræfter og viskose kræfter på følgende måde:

Re = Trækkraft / Viskose kræfter

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Udtrykket dV / dx er gradienten af ​​hastigheden (eller det første derivat af hastigheden), der er proportional med hastigheden (V) divideret med L, der repræsenterer en længde skala, hvilket resulterer i dV / dx = V / L. Det andet derivat er sådan, at d²V / dx² = V / L². Ved at erstatte disse med den første og anden derivat resulterer det i:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Du kan også dele gennem længdeskalaen L, hvilket resulterer i en Reynolds antal pr. Fod, betegnet som Re f = V / ν.

Et lavt Reynolds-nummer indikerer en jævn, laminær strømning. Et højt Reynolds-nummer indikerer en strøm, der vil demonstrere hvirvler og virvler og generelt vil være mere turbulent.

Rørstrøm repræsenterer en strøm, der er i kontakt med stive grænser på alle sider, såsom vand, der bevæger sig gennem et rør (deraf navnet "rørstrømning") eller luft, der bevæger sig gennem en luftkanal.

Åbent kanal flow beskriver strømning i andre situationer, hvor der er mindst en fri overflade, der ikke er i kontakt med en stiv grænse. (Teknisk set har den frie overflade 0 parallel ren spænding.) Tilfælde af åben kanalstrøm inkluderer vand, der bevæger sig gennem en flod, oversvømmelser, vand, der strømmer under regn, tidevandsstrømme og kunstvandingskanaler. I disse tilfælde repræsenterer overfladen af ​​det strømmende vand, hvor vandet er i kontakt med luften, strømens "frie overflade".

Strømme i et rør drives af enten tryk eller tyngdekraft, men strømme i åbne kanalsituationer drives udelukkende af tyngdekraften. Byvandsystemer bruger ofte vandtårne ​​til at drage fordel af dette, så højdeforskellen i vandet i tårnet ( hydrodynamisk hoved) skaber en trykdifferens, som derefter justeres med mekaniske pumper for at få vand til de steder i systemet, hvor de er nødvendige.

Gasser behandles generelt som trykbare væsker, fordi volumen, der indeholder dem, kan reduceres. En luftkanal kan reduceres med halvdelen af ​​størrelsen og bærer stadig den samme mængde gas med samme hastighed. Selv når gassen strømmer gennem luftkanalen, vil nogle regioner have højere densitet end andre regioner.

Som en generel regel betyder det at være ukomprimerende, at densiteten i et hvilket som helst område af væsken ikke ændrer sig som en funktion af tiden, når den bevæger sig gennem strømmen. Væsker kan selvfølgelig også komprimeres, men der er mere en begrænsning af mængden af ​​komprimering, der kan laves. Af denne grund modelleres væsker typisk som om de var inkomprimerbare.

Bernoullis princip er et andet nøgleelement i væskedynamik, der er offentliggjort i Daniel Bernoullis bog fra 1738 Hydrodynamica. Kort sagt, det relaterer stigningen i hastighed i en væske til et fald i tryk eller potentiel energi. For ukomprimerbare væsker kan dette beskrives ved hjælp af det, der er kendt som Bernoullis ligning:

(v²/2) + gz + p/ρ = konstant

Hvor g er accelerationen på grund af tyngdekraften, ρ er trykket gennem væsken, v er væskestrømningshastigheden på et givet punkt, z er højden på det tidspunkt, og p er trykket på det tidspunkt. Da dette er konstant i en væske, betyder det, at disse ligninger kan relateres til ethvert to punkter, 1 og 2, med følgende ligning:

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

Forholdet mellem tryk og potentiel energi af en væske baseret på elevation er også relateret gennem Pascal's Law.

To tredjedele af jordoverfladen er vand og planeten er omgivet af lag af atmosfære, så vi er bogstaveligt talt omgivet af væsker... næsten altid i bevægelse.

Når vi tænker over det lidt, gør det det temmelig indlysende, at der ville være en masse interaktioner mellem bevægende væsker for os at studere og forstå videnskabeligt. Det er her væskedynamik kommer ind, selvfølgelig, så der er ingen mangel på felter, der anvender koncepter fra væskedynamik.

Denne liste er slet ikke udtømmende, men giver en god oversigt over måder, hvorpå væskedynamik vises i fysikstudiet på tværs af en række specialiseringer:

• Oceanografi, meteorologi og klimavidenskab - Da atmosfæren er modelleret som væsker, er studiet af atmosfærisk videnskab og havstrømme, der er afgørende for at forstå og forudsige vejrmønstre og klimatendenser, er stærkt afhængig af væskedynamik.
• Luftfart - Fysik med væskedynamik involverer at studere luftstrømmen for at skabe træk og løft, som igen genererer de kræfter, der tillader tungere end luft flyvning.
• Geologi og geofysik - Pladetektonik involverer at studere bevægelsen af ​​det opvarmede stof inden for den flydende kerne af Jorden.
• Hæmatologi & hæmodynamik -Den biologiske undersøgelse af blod inkluderer undersøgelsen af ​​dets cirkulation gennem blodkar, og blodcirkulationen kan modelleres ved hjælp af metoderne for væskedynamik.
• Plasmafysik - Skønt hverken en væske eller en gas, plasma opfører sig ofte på måder, der ligner væsker, så kan også modelleres ved hjælp af væskedynamik.
• Astrofysik og kosmologi - Processen med stjernevoluering involverer ændring af stjerner over tid, hvilket kan forstås ved at studere, hvordan plasmaet, der komponerer stjernerne flyder og interagerer i stjernen over tid.
• Trafikanalyse - Måske en af ​​de mest overraskende anvendelser af væskedynamik er at forstå bevægelsen af ​​trafik, både køretøjs- og fodgængertrafik. I områder, hvor trafikken er tilstrækkelig tæt, kan hele trafikmasset behandles som en enkelt enhed, der opfører sig på måder, der er nogenlunde ens nok til en væskestrøm.

Væskedynamik omtales også undertiden som hydrodynamik, selvom dette er mere et historisk udtryk. Gennem det tyvende århundrede blev udtrykket "fluid dynamics" meget mere almindeligt anvendt.

Teknisk set ville det være mere passende at sige, at hydrodynamik er, når væskedynamik anvendes til væsker i bevægelse og aerodynamik er når væskedynamik anvendes til gasser i bevægelse.

I praksis bruger specialiserede emner såsom hydrodynamisk stabilitet og magnetohydrodynamik imidlertid "hydro-" præfikset, selv når de anvender disse begreber til bevægelse af gasser.