Izpratne par to, kas ir šķidruma dinamika

Šķidruma dinamika ir šķidrumu kustības izpēte, ieskaitot to mijiedarbību, kad divi šķidrumi nonāk saskarē viens ar otru. Šajā kontekstā termins "šķidrums" attiecas uz abiem šķidrums vai gāzes. Tā ir makroskopiska, statistiska pieeja, lai analizētu šo mijiedarbību plašā mērogā, apskatot šķidrumus kā vielas kontinuums un parasti ignorējot faktu, ka šķidrums vai gāze sastāv no atsevišķa cilvēka atomi.

Šķidruma dinamika ir viena no divām galvenajām filiālēm šķidruma mehānika, ar otru nozari šķidruma statika, šķidrumu izpēte miera stāvoklī. (Varbūt nav pārsteidzoši, ka šķidruma statiku lielāko daļu laika var uzskatīt par mazliet mazāk aizraujošu nekā šķidruma dinamiku.)

Katra disciplīna ietver jēdzienus, kas ir svarīgi, lai saprastu, kā tā darbojas. Šeit ir daži no galvenajiem, ar kuriem jūs saskaraties, mēģinot izprast šķidruma dinamiku.

Pētot kustībā esošu šķidrumu, tiek ņemti vērā arī šķidruma jēdzieni, kas piemērojami šķidruma statikā. Diezgan agrīnā šķidruma mehānikas koncepcija ir šāda

Kad šķidrumi plūst, blīvums un spiediens šķidrumu daudzumam ir arī liela nozīme, lai saprastu, kā tie mijiedarbosies. viskozitāte nosaka, cik izturīgs ir šķidruma maiņa, tāpēc ir svarīgi arī pētot šķidruma kustību. Šeit ir daži mainīgie, kas parādās šajās analīzēs:

• Beztaras viskozitāte: μ
• Blīvums: ρ
• Kinemātiskā viskozitāte: ν = μ / ρ

Tā kā šķidruma dinamika ietver šķidruma kustības izpēti, viens no pirmajiem jēdzieniem, kas jāsaprot, ir tas, kā fiziķi kvantitatīvi nosaka šo kustību. Apzīmējums, ko fiziķi izmanto, lai aprakstītu šķidruma kustības fiziskās īpašības plūsma. Plūsma raksturo plašu šķidruma kustības diapazonu, piemēram, pūšot pa gaisu, plūstot caur cauruli vai virzoties pa virsmu. Šķidruma plūsmu klasificē dažādos veidos, pamatojoties uz dažādām plūsmas īpašībām.

Ja šķidruma kustība laika gaitā nemainās, to uzskata par a vienmērīga plūsma. To nosaka situācija, kad visas plūsmas īpašības paliek nemainīgas attiecībā pret laiku vai pārmaiņus var runāt, sakot, ka plūsmas lauka laika atvasinājumi izzūd. (Pārbaudiet aprēķinus, lai uzzinātu vairāk par atvasinājumu izpratni.)

A līdzsvara stāvokļa plūsma ir vēl mazāk atkarīgs no laika, jo visas šķidruma īpašības (ne tikai plūsmas īpašības) nemainās visos šķidruma punktos. Tātad, ja jums būtu vienmērīga plūsma, bet paša šķidruma īpašības kādā brīdī mainījās (iespējams, ka: barjera, kas dažās šķidruma daļās izraisa no laika atkarīgus viļņus), tad jums būtu vienmērīga plūsma, kas ir nē vienmērīga stāvokļa plūsma.

Tomēr vienmērīgas plūsmas ir vienmērīgu plūsmu piemēri. Strāva, kas plūst nemainīgā ātrumā caur taisnu cauruli, ir pastāvīgas plūsmas (un arī vienmērīgas plūsmas) piemērs.

Ja pašai plūsmai ir īpašības, kas laika gaitā mainās, tad to sauc par nepastāvīga plūsma vai a īslaicīga plūsma. Lietus, kas negaisa laikā plūst notekcaurulēs, ir nepastāvīgas plūsmas piemērs.

Parasti pastāvīgas plūsmas atvieglo problēmu risināšanu nekā nestabilas plūsmas, un tas ir tas, ko varētu gaidīt, ņemot vērā, ka no laika atkarīgas plūsmas izmaiņas nav jāņem vērā, un lietas, kas laika gaitā mainās, parasti to padarīs vēl vairāk sarežģīts.

Tiek teikts, ka tai ir vienmērīga šķidruma plūsma laminārā plūsma. Tiek apgalvots, ka plūsmai ir šķietami haotiska, nelineāra kustība turbulenta plūsma. Pēc definīcijas turbulenta plūsma ir nepastāvīgas plūsmas veids.

Abu veidu plūsmās var būt virpuļi, virpuļi un dažāda veida recirkulācija, lai gan, jo vairāk šāda veida uzvedību pastāv, jo lielāka iespēja, ka plūsma tiks klasificēta kā turbulenta.

Atšķirība starp to, vai plūsma ir lamināra vai turbulenta, parasti ir saistīta ar Reinoldsa numurs (Re). Reinoldsa skaitli 1951. gadā pirmo reizi aprēķināja fiziķis Džordžs Gabriels Stokss, bet tas ir nosaukts 19. gadsimta zinātnieka Osborna Reinoldsa vārdā.

Reinoldsa skaitlis ir atkarīgs ne tikai no paša šķidruma īpatnībām, bet arī no tā plūsmas apstākļiem, ko šādi iegūst no inerces spēka un viskozā spēka attiecības:

Re = Inerces spēks / viskozie spēki

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Termins dV / dx ir ātruma gradients (vai ātruma pirmais atvasinājums), kas ir proporcionāls ātrumam (V) dalīts ar L, kas attēlo garuma skalu, iegūstot dV / dx = V / L. Otrais atvasinājums ir tāds, ka d²V / dx² = V / L². Aizstājot tos ar pirmo un otro atvasinājumu, iegūst:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Varat arī sadalīt pa garuma skalu L, iegūstot a Reinoldsa numurs uz vienu pēdu, apzīmēts kā Re f = V / ν.

Zems Reinoldsa skaitlis norāda uz vienmērīgu, lamināru plūsmu. Augsts Reinoldsa skaitlis norāda plūsmu, kas demonstrēs virpuļus un virpuļus, un parasti tā būs vētraināka.

Cauruļu plūsma apzīmē plūsmu, kas no visām pusēm ir saskarē ar stingrām robežām, piemēram, ar ūdeni, kas pārvietojas caur cauruli (tātad nosaukums “caurules plūsma”), vai gaisu, kas pārvietojas caur gaisa vadu.

Atvērtā kanāla plūsma apraksta plūsmu citās situācijās, kad ir vismaz viena brīva virsma, kas nav saskarē ar stingru robežu. (Tehniskā ziņā brīvajai virsmai ir 0 paralēlais milzīgais spriegums.) Atvērtā kanāla plūsmas gadījumi ietver ūdens, kas pārvietojas pa upi, plūdi, lietus laikā plūstošs ūdens, plūdmaiņu straumes un apūdeņošanas kanāli. Šajos gadījumos plūstošā ūdens virsma, kur ūdens ir saskarē ar gaisu, attēlo plūsmas "brīvo virsmu".

Plūsmas caurulē nosaka spiediens vai smagums, bet plūsmas atvērtā kanāla situācijās vada tikai gravitācija. Pilsētas ūdens sistēmas bieži izmanto ūdens torņus, lai to izmantotu, lai ūdens augstuma atšķirība tornī ( hidrodinamiskā galva) izveido spiediena starpību, kuru pēc tam pielāgo ar mehāniskiem sūkņiem, lai ūdens nonāktu vietās, kur tās ir vajadzīgas.

Gāzes parasti uzskata par saspiežamiem šķidrumiem, jo ​​to tilpumu var samazināt. Gaisa vadu var samazināt par pusi no izmēra, un tajā pašā daudzumā tajā pašā laikā tiek pārvadāts tāds pats gāzes daudzums. Pat ja gāze plūst caur gaisa vadu, dažiem reģioniem būs lielāks blīvums nekā citiem reģioniem.

Parasti būt nesaspiežamam nozīmē, ka jebkura šķidruma reģiona blīvums, mainoties plūsmai, nemainās kā laika funkcija. Šķidrumus, protams, var arī saspiest, taču saspiešanas apjomu var ierobežot vairāk. Šī iemesla dēļ šķidrumi parasti tiek modelēti tā, it kā tie nebūtu saspiežami.

Bernulli princips ir vēl viens svarīgs šķidruma dinamikas elements, kas publicēts Daniela Bernoulli 1738. gada grāmatā Hidrodinamika. Vienkārši izsakoties, tas ātruma palielināšanos šķidrumā saista ar spiediena vai potenciālās enerģijas samazināšanos. Nesaspiežamiem šķidrumiem to var aprakstīt, izmantojot tā saukto Bernuļa vienādojums:

(v²/2) + gz + lpp/ρ = nemainīgs

Kur g ir paātrinājums gravitācijas ietekmē, ρ ir spiediens visā šķidrumā, v ir šķidruma plūsmas ātrums noteiktā punktā, z ir pacēlums tajā brīdī, un lpp ir spiediens tajā brīdī. Tā kā šķidrumā tas ir nemainīgs, tas nozīmē, ka šie vienādojumi var attiekties uz jebkuriem diviem punktiem 1 un 2 ar šādu vienādojumu:

(v₁²/2) + gz₁ + lpp₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + lpp₂/ρ

Saistība starp spiediena un šķidruma potenciālo enerģiju, kas balstīta uz paaugstinājumu, ir saistīta arī ar Paskāla likumu.

Divas trešdaļas Zemes virsmas ir ūdens, un planētu ieskauj atmosfēras slāņi, tāpēc mēs burtiski vienmēr esam šķidrumu ieskauti... gandrīz vienmēr kustībā.

Nedaudz pārdomājot, tas padara diezgan acīmredzamu, ka zinātniski pētīšanai un izpratnei būs daudz kustīgu šķidrumu mijiedarbības. Protams, šeit nonāk šķidruma dinamika, tāpēc netrūkst lauku, kas piemēro šķidruma dinamikas jēdzienus.

Šis saraksts nebūt nav izsmeļošs, bet sniedz labu pārskatu par veidiem, kā šķidruma dinamika parādās fizikas izpētē dažādās specializācijas jomās:

• Okeanogrāfija, meteoroloģija un klimata zinātne - Tā kā atmosfēra tiek modelēta kā šķidrums, atmosfēras zinātnes un okeāna straumes, kas ir ļoti svarīgi laika apstākļu un klimata tendenču izpratnei un prognozēšanai, lielā mērā ir atkarīga no šķidruma dinamikas.
• Aeronautika - Šķidruma dinamikas fizikā ietilpst gaisa plūsmas izpēte, lai radītu vilkšanu un pacelšanu, kas savukārt rada spēkus, kas ļauj veikt lidojumu, kas ir smagāks par gaisu.
• Ģeoloģija un ģeofizika - Plākšņu tektonika ietver apsildāmās vielas kustības izpēti Zemes šķidrajā kodolā.
• Hematoloģija un Hemodinamika -Asins bioloģiskajā izpētē ietilpst asinsrites izpēte caur asinsvadiem, un asinsriti var modelēt, izmantojot šķidruma dinamikas metodes.
• Plazmas fizika - kaut arī ne šķidrums, ne gāze, plazma bieži uzvedas līdzīgi šķidrumiem, tāpēc to var arī modelēt, izmantojot šķidruma dinamiku.
• Astrofizika un kosmoloģija - Zvaigžņu evolūcijas process ietver zvaigžņu maiņu laika gaitā, ko var saprast, izpētot, kā laika gaitā plūst un mijiedarbojas zvaigzne veidojošā plazma.
• Satiksmes analīze - Iespējams, ka viens no pārsteidzošākajiem šķidruma dinamikas pielietojumiem ir transporta kustības, gan transporta, gan gājēju kustības izpratne. Vietās, kur satiksme ir pietiekami blīva, visu satiksmi var uzskatīt par vienu vienību, kas rīkojas aptuveni pietiekami līdzīgi šķidruma plūsmai.

Šķidruma dinamiku dažreiz sauc arī par hidrodinamika, lai gan tas vairāk ir vēsturisks termins. Divdesmitā gadsimta laikā frāze "šķidruma dinamika" kļuva daudz biežāk lietota.

Tehniski pareizāk būtu teikt, ka hidrodinamika ir tad, kad šķidrumu kustībai un kustībai tiek piemērota šķidruma dinamika aerodinamika ir tad, kad kustīgajām gāzēm tiek piemērota šķidruma dinamika.

Tomēr praksē specializētās tēmās, piemēram, hidrodinamiskā stabilitāte un magnetohidrodinamika, tiek izmantots prefikss "hidro-", pat ja tās piemēro šos jēdzienus gāzu kustībai.