Zrozumienie, czym jest dynamika płynów

Dynamika płynów to badanie ruchu płynów, w tym ich interakcji, gdy dwa płyny stykają się ze sobą. W tym kontekście termin „płyn” odnosi się do jednego lub drugiego ciecz lub gazy. Jest to makroskopowe, statystyczne podejście do analizy tych interakcji na dużą skalę, z podglądem płynów jako kontinuum materii i generalnie ignorując fakt, że ciecz lub gaz składa się z jednostki atomy

Dynamika płynów jest jedną z dwóch głównych gałęzi mechanika płynów, przy czym druga gałąź jest statyka płynów, badanie płynów w spoczynku. (Być może nic dziwnego, że statyczność płynów może być uważana za nieco mniej ekscytującą przez większość czasu niż dynamika płynów).

Każda dyscyplina obejmuje pojęcia, które są kluczowe dla zrozumienia jej działania. Oto niektóre z głównych, na które natkniesz się, próbując zrozumieć dynamikę płynów.

Pojęcia dotyczące płynów, które mają zastosowanie do statyki płynów, również wchodzą w grę podczas badania płynów w ruchu. Prawie najwcześniejsza koncepcja w mechanice płynów to

W miarę przepływu płynów, gęstość i nacisk płynów ma również kluczowe znaczenie dla zrozumienia ich interakcji. The lepkość określa, jak odporna jest ciecz na zmianę, dlatego jest również niezbędna w badaniu przepływu cieczy. Oto niektóre zmienne pojawiające się w tych analizach:

• Lepkość masowa: μ
• Gęstość: ρ
• Lepkość kinematyczna: ν = μ / ρ

Ponieważ dynamika płynów obejmuje badanie ruchu płynu, jedną z pierwszych koncepcji, które należy zrozumieć, jest sposób, w jaki fizycy kwantyfikują ten ruch. Termin, którego fizycy używają do opisania fizycznych właściwości ruchu cieczy to pływ. Przepływ opisuje szeroki zakres ruchu płynu, taki jak przedmuchiwanie powietrza, przepływanie przez rurę lub bieganie wzdłuż powierzchni. Przepływ płynu jest klasyfikowany na wiele różnych sposobów, w zależności od różnych właściwości przepływu.

Jeśli ruch płynu nie zmienia się w czasie, uważa się to za stały przepływ. Jest to zdeterminowane sytuacją, w której wszystkie właściwości przepływu pozostają stałe w stosunku do czasu lub można mówić o tym, że pochodne czasowe pola przepływu znikają. (Sprawdź rachunek różniczkowy, aby uzyskać więcej informacji na temat zrozumienia instrumentów pochodnych).

ZA przepływ w stanie ustalonym jest jeszcze mniej zależny od czasu, ponieważ wszystkie właściwości płynu (nie tylko właściwości płynięcia) pozostają stałe w każdym punkcie płynu. Więc jeśli miałeś stały przepływ, ale właściwości samego płynu zmieniły się w pewnym momencie (być może z powodu bariera powodująca zależne od czasu tętnienia w niektórych częściach płynu), wtedy miałbyś stały przepływ nie przepływ w stanie ustalonym.

Wszystkie przepływy stanu ustalonego są jednak przykładami przepływów ustalonych. Prąd przepływający ze stałą prędkością przez prostą rurę byłby przykładem przepływu w stanie ustalonym (a także przepływu stałego).

Jeśli sam przepływ ma właściwości, które zmieniają się w czasie, nazywa się to an niestabilny przepływ lub a przepływ przejściowy. Deszcz wpływający do rynny podczas burzy jest przykładem niestałego przepływu.

Zasadniczo przepływy ciągłe ułatwiają rozwiązywanie problemów niż przepływy niestabilne, czego można się spodziewać, biorąc pod uwagę, że zależne od czasu zmiany w przepływie nie muszą być brane pod uwagę, a rzeczy, które zmieniają się z upływem czasu, zazwyczaj zwiększą sytuację skomplikowane.

Mówi się, że ma płynny przepływ cieczy przepływ laminarny. Mówi się, że przepływ, który zawiera pozornie chaotyczny, nieliniowy ruch przepływ burzliwy. Z definicji przepływ turbulentny jest rodzajem przepływu niestabilnego.

Oba rodzaje przepływów mogą zawierać wiry, wiry i różne rodzaje recyrkulacji, chociaż im więcej takich zachowań istnieje, tym bardziej prawdopodobne jest, że przepływ zostanie zaklasyfikowany jako turbulentny.

Rozróżnienie między tym, czy przepływ jest laminarny czy turbulentny, jest zwykle związane z Liczba Reynoldsa (Re). Liczbę Reynoldsa obliczono po raz pierwszy w 1951 r. Przez fizyka George'a Gabriela Stokesa, ale nazwa pochodzi od XIX-wiecznego naukowca Osborne'a Reynoldsa.

Liczba Reynoldsa zależy nie tylko od specyfiki samego płynu, ale także od warunków jego przepływu, wyprowadzonych jako stosunek sił bezwładności do sił lepkości w następujący sposób:

Re = Siła bezwładności / siły lepkości

Re = (ρV.dV/dx) / (μ re²V / dx²)

Termin dV / dx jest gradientem prędkości (lub pierwszej pochodnej prędkości), który jest proporcjonalny do prędkości (V.) podzielony przez L., reprezentujący skalę długości, dającą w wyniku dV / dx = V / L. Druga pochodna jest taka, że ​​d²V / dx² = V / L². Podstawienie ich dla pierwszej i drugiej pochodnej powoduje:

Re = (ρ V V/L.) / (μ V./L.²)

Re = (ρ V L) / μ

Możesz także podzielić przez skalę długości L, co daje wynik Liczba Reynoldsa na stopę, oznaczony jako Re f = V. / ν.

Niska liczba Reynoldsa oznacza płynny, laminarny przepływ. Wysoka liczba Reynoldsa wskazuje przepływ, który ma wykazać wiry i wiry i na ogół będzie bardziej niespokojny.

Przepływ rur reprezentuje przepływ, który styka się ze sztywnymi granicami ze wszystkich stron, taki jak woda przepływająca przez rurę (stąd nazwa „przepływ rurowy”) lub powietrze poruszające się przez kanał powietrzny.

Przepływ otwarty opisuje przepływ w innych sytuacjach, w których istnieje co najmniej jedna wolna powierzchnia, która nie styka się ze sztywną granicą. (Z technicznego punktu widzenia swobodna powierzchnia ma zerowe naprężenie równe 0). Przypadki przepływu w kanale otwartym obejmują woda przepływająca przez rzekę, powodzie, woda płynąca podczas deszczu, prądy pływowe i kanały irygacyjne. W takich przypadkach powierzchnia przepływającej wody, gdzie woda styka się z powietrzem, stanowi „swobodną powierzchnię” przepływu.

Przepływy w rurze są napędzane przez ciśnienie lub grawitację, ale przepływy w kanałach otwartych są napędzane wyłącznie przez grawitację. Miejskie systemy wodne często wykorzystują wieże ciśnień, aby z tego skorzystać, dzięki czemu różnica wysokości wody w wieży ( głowica hydrodynamiczna) tworzy różnicę ciśnień, którą następnie dostosowuje się za pomocą pomp mechanicznych, aby doprowadzić wodę do miejsc w systemie, w których są potrzebne.

Gazy są na ogół traktowane jako płyny ściśliwe, ponieważ objętość, która je zawiera, można zmniejszyć. Kanał powietrzny można zmniejszyć o połowę i nadal przenosić tę samą ilość gazu z tą samą prędkością. Nawet gdy gaz przepływa przez kanał powietrzny, niektóre regiony będą miały większą gęstość niż inne regiony.

Zasadniczo bycie nieściśliwym oznacza, że ​​gęstość dowolnego obszaru płynu nie zmienia się w funkcji czasu, gdy przemieszcza się on przez przepływ. Ciecze można oczywiście również kompresować, ale istnieje większe ograniczenie stopnia kompresji, który można wykonać. Z tego powodu ciecze są zwykle modelowane tak, jakby były nieściśliwe.

Zasada Bernoulliego to kolejny kluczowy element dynamiki płynów opublikowany w książce Daniela Bernoulli z 1738 roku Hydrodynamica. Mówiąc najprościej, wiąże wzrost prędkości w cieczy ze spadkiem ciśnienia lub energii potencjalnej. W przypadku płynów nieściśliwych można to opisać za pomocą tak zwanego Równanie Bernoulliego:

(v²/2) + gz + p/ρ = stała

Gdzie sol oznacza przyspieszenie ziemskie, ρ to ciśnienie w cieczy, v oznacza prędkość przepływu płynu w danym punkcie, z jest wysokością w tym punkcie, oraz p jest presją w tym momencie. Ponieważ jest to stałe w płynie, oznacza to, że równania te mogą odnosić dowolne dwa punkty, 1 i 2, za pomocą następującego równania:

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

Zależność między ciśnieniem a energią potencjalną cieczy na podstawie wysokości jest również związana z prawem Pascala.

Dwie trzecie powierzchni Ziemi to woda, a planeta jest otoczona warstwami atmosfery, więc dosłownie otaczają nas płyny... prawie zawsze w ruchu.

Myśląc o tym przez chwilę, jest to dość oczywiste, że będziemy mieli wiele interakcji płynów w ruchu, abyśmy mogli studiować i zrozumieć naukowo. Tam właśnie pojawia się dynamika płynów, więc nie brakuje pól, które stosują koncepcje z dynamiki płynów.

Ta lista wcale nie jest wyczerpująca, ale zapewnia dobry przegląd sposobów, w jakie dynamika płynów pojawia się w badaniach fizyki w różnych specjalizacjach:

• Oceanografia, meteorologia i klimatologia - Ponieważ atmosfera jest modelowana jako ciecze, badania w dziedzinie nauki o atmosferze i prądy oceaniczne, niezbędny do zrozumienia i prognozowania pogody i trendów klimatycznych, w dużej mierze opiera się na dynamice płynów.
• Aeronautyka - Fizyka dynamiki płynów polega na badaniu przepływu powietrza w celu wytworzenia oporu i podnoszenia, które z kolei generują siły, które umożliwiają lot cięższy niż powietrze.
• Geologia i Geofizyka - Płyty tektoniczne obejmuje badanie ruchu ogrzanej materii w płynnym jądrze Ziemi.
• Hematologia i Hemodynamika -Biologiczne badanie krwi obejmuje badanie jej krążenia przez naczynia krwionośne, a krążenie krwi można modelować za pomocą metod dynamiki płynów.
• Fizyka plazmy - Chociaż ani ciecz, ani gaz, osocze często zachowuje się w sposób podobny do płynów, dlatego też można go modelować przy użyciu dynamiki płynów.
• Astrofizyka i kosmologia - Proces ewolucji gwiezdnej obejmuje zmianę gwiazd w czasie, co można zrozumieć, badając, w jaki sposób plazma składająca się z gwiazd przepływa i wchodzi w interakcje z gwiazdą w czasie.
• Analiza ruchu - Być może jednym z najbardziej zaskakujących zastosowań dynamiki płynów jest zrozumienie ruchu drogowego, zarówno samochodowego, jak i pieszego. W obszarach, w których ruch jest wystarczająco gęsty, cały ruch może być traktowany jako pojedynczy byt, który zachowuje się w sposób w przybliżeniu wystarczająco podobny do przepływu płynu.

Dynamika płynów jest również czasami określana jako hydrodynamika, chociaż jest to raczej termin historyczny. W XX wieku wyrażenie „dynamika płynów” stało się znacznie bardziej popularne.

Z technicznego punktu widzenia bardziej właściwe byłoby stwierdzenie, że hydrodynamika ma miejsce, gdy dynamika płynów jest stosowana do płynów w ruchu i aerodynamika ma miejsce, gdy dynamika płynów jest stosowana do gazów w ruchu.

Jednak w praktyce wyspecjalizowane tematy, takie jak stabilność hydrodynamiczna i magnetohydrodynamika, używają przedrostka „hydro”, nawet jeśli stosują te koncepcje do ruchu gazów.