Razumevanje, kaj je dinamika tekočin

Dinamika tekočin je preučevanje gibanja tekočin, vključno z njihovim medsebojnim vplivanjem, ko dve tekočini prideta v stik med seboj. V tem kontekstu se izraz "tekočina" nanaša na katero koli tekočina ali plini. Gre za makroskopski, statistični pristop k analizi teh interakcij v velikem obsegu in ogledu tekočin kot nadaljevanje materije in na splošno ignoriranje dejstva, da je tekočina ali plin sestavljen iz posameznika atomi.

Dinamika tekočin je ena od dveh glavnih vej mehanika tekočin, z drugo vejo statična tekočina, preučevanje tekočin v mirovanju. (Mogoče ne preseneča, da se lahko statika tekočine večino časa zdi nekoliko manj vznemirljiva kot dinamika tekočine.)

Vsaka disciplina vključuje koncepte, ki so ključni za razumevanje njenega delovanja. Tu je nekaj glavnih, na katere boste naleteli, ko boste poskušali razumeti dinamiko tekočine.

Koncepti fluidov, ki se uporabljajo v statiki tekočine, pridejo v poštev tudi pri preučevanju tekočine, ki je v gibanju. Zelo zgodnji koncept mehanike tekočin je koncept tega

Ko tekočina teče, gostota in pritisk tekočin je ključnega pomena tudi za razumevanje, kako bodo medsebojno delovali. The viskoznost določa, kako odporna je tekočina na spremembe, zato je bistvenega pomena tudi pri preučevanju gibanja tekočine. Tu je nekaj spremenljivk, ki se pojavijo v teh analizah:

• Nasipna viskoznost: μ
• Gostota: ρ
• Kinematična viskoznost: ν = μ / ρ

Ker dinamika tekočine vključuje preučevanje gibanja tekočine, je eden prvih konceptov, ki ga je treba razumeti, to, kako fiziki to gibanje količinsko opredelijo. Izraz, ki ga fiziki uporabljajo za opis fizikalnih lastnosti gibanja tekočine, je pretok. Tok opisuje širok razpon gibanja tekočine, kot je pihanje po zraku, pretok skozi cev ali tek po površini. Pretok tekočine je razvrščen na različne načine, ki temelji na različnih lastnostih toka.

Če se gibanje tekočine s časom ne spreminja, se šteje za a enakomeren pretok. To določa situacija, ko so vse lastnosti toka glede na čas ostale konstantne ali pa lahko govorimo o tem, da časovni derivati ​​tokovnega polja izginejo. (Oglejte si izračun za več informacij o razumevanju derivatov.)

A stacionarni tok je še manj odvisno od časa, ker vse lastnosti tekočine (ne le lastnosti pretoka) ostanejo v vsaki točki znotraj tekočine konstantne. Torej, če ste imeli enakomeren pretok, vendar so se lastnosti same tekočine v nekem trenutku spremenile (morda zaradi pregrada, ki povzroča časovno odvisne valovanje v nekaterih delih tekočine), potem bi imeli enakomeren pretok, ki je ne stacionarni tok.

Vsi tokovi v stacionarnem stanju so primeri enakomernih pretokov. Tok, ki teče s konstantno hitrostjo skozi ravno cev, bi bil primer enakomernega pretoka (in tudi enakomernega pretoka).

Če ima sam tok lastnosti, ki se sčasoma spreminjajo, se imenuje an nestabilni pretok ali a prehodni tok. Dež, ki se med nevihto steka v žleb, je primer nestabilnega pretoka.

Praviloma enakomerni pretoki lažje rešujejo težave kot nestabilni tokovi, kar bi lahko pričakovali, glede na to, da Časovno odvisnih sprememb toka ni treba upoštevati in stvari, ki se sčasoma spreminjajo, bodo stvari navadno naredile več zapleteno.

Gladki pretok tekočine naj bi imel laminarni tok. Potek, ki vsebuje na videz kaotično, nelinearno gibanje, naj bi imel turbulenten tok. Turbulentni tok je po definiciji vrsta nestabilnega toka.

Obe vrsti pretokov lahko vsebujeta vrtince, vrtince in različne vrste recirkulacije, čeprav več takšnih vedenj obstaja, večja je verjetnost, da bo tok razvrščen kot moten.

Razlika med laminarnim ali turbulentnim tokom je navadno povezana z Reynoldsova številka (Re). Reynoldsovo številko je leta 1951 prvič izračunal fizik George Gabriel Stokes, poimenovan pa je po znanstveniku iz 19. stoletja Osbornu Reynoldsu.

Reynoldsova številka ni odvisna samo od posebnosti same tekočine, temveč tudi od pogojev njenega pretoka, ki se izračunajo kot razmerje inercialnih sil in viskoznih sil na naslednji način:

Re = Inercialna sila / viskozne sile

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Izraz dV / dx je gradient hitrosti (ali prvi izvod hitrosti), ki je sorazmeren hitrosti (V) deljeno s L, ki predstavlja lestvico dolžine, zaradi česar je dV / dx = V / L. Drugi derivat je tak, da d²V / dx² = V / L². Če jih nadomestite v prvo in drugo izpeljanko, dobite naslednje:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Prav tako lahko razdelite po lestvici dolžine L, kar ima za posledico a Reynoldsova številka na stopalo, označen kot Re ž = V / ν.

Nizka Reynoldsova številka kaže na nemoten, laminarni pretok. Visoka Reynoldsova številka kaže na tok, ki bo pokazal vrtince in vrtince in bo na splošno bolj moten.

Pretok cevi predstavlja tok, ki je na vseh straneh v stiku s togimi mejami, na primer voda, ki se giblje skozi cev (od tod tudi ime "cevni tok") ali zrak, ki se giblje skozi zračni kanal.

Odprti pretok opisuje tok v drugih situacijah, kjer je vsaj ena prosta površina, ki ni v stiku s togo mejo. (Tehnično gledano ima prosta površina 0 vzporednih strižnih napetosti.) Primeri pretoka odprtega kanala vključujejo voda, ki se giblje skozi reko, poplave, voda, ki teče med dežjem, plimovanje in namakalni kanali. V teh primerih površina tekoče vode, kjer je voda v stiku z zrakom, predstavlja "prosto površino" toka.

Pretoke v cevi vodijo bodisi pritisk ali gravitacija, vendar tokovi v odprtih kanalih poganjajo izključno gravitacijo. Mestni vodovodni sistemi pogosto izkoristijo vodne stolpe, da izkoristijo to višinsko razliko vode v stolpu hidrodinamična glava) ustvari diferenčni tlak, ki ga nato z mehanskimi črpalkami prilagodimo tako, da voda pride do mest v sistemu, kjer jih potrebujemo.

Plini se običajno obravnavajo kot stisljive tekočine, ker se lahko količina, ki jih vsebuje, zmanjša. Zračni kanal se lahko zmanjša za polovico in še vedno prenaša enako količino plina z isto hitrostjo. Čeprav bo plin tekel skozi zračni kanal, bodo nekatere regije večje gostote kot druge regije.

Praviloma je nekompresivnost, da se gostota katerega koli območja tekočine ne spreminja kot funkcija časa, ko se premika skozi tok. Seveda se lahko stisnejo tudi tekočine, vendar obstaja več omejitev glede količine stiskanja. Zaradi tega so tekočine običajno modelirane, kot da so nestisljive.

Bernoullijevo načelo je še en ključni element dinamike tekočin, objavljen v knjigi Daniela Bernoullija iz leta 1738 Hidrodinamika. Poenostavljeno povedano, povečuje hitrost tekočine na zmanjšanje tlaka ali potencialne energije. Za nestisljive tekočine je to mogoče opisati z uporabo tega, kar je znano kot Bernoullijeva enačba:

(v²/2) + gz + str/ρ = konstanta

Kje g je pospešek zaradi gravitacije, ρ je tlak v vsej tekočini, v je hitrost pretoka tekočine v dani točki, z je višina na tej točki in str je tlak na tej točki. Ker je ta konstantna znotraj neke tekočine, to pomeni, da lahko te enačbe povezujejo kateri koli dve točki, 1 in 2, z naslednjo enačbo:

(v₁²/2) + gz₁ + str₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + str₂/ρ

Razmerje med tlakom in potencialno energijo tekočine, ki temelji na višini, je povezano tudi s Pascalovim zakonom.

Dve tretjini Zemljine površine je voda, planet pa je obdan s plastmi atmosfere, zato smo ves čas dobesedno obkroženi s tekočinami... skoraj vedno v gibanju.

Če malo razmislimo, je to očitno, da bi bilo veliko interakcij gibljivih tekočin, da bi lahko znanstveno preučevali in razumeli. Tu seveda prihaja dinamika tekočin, tako da ne manjka polj, ki uporabljajo koncepte iz dinamike tekočin.

Ta seznam sploh ni izčrpen, vendar ponuja dober pregled nad načini, kako se dinamika tekočine kaže v študiju fizike v različnih specializacijah:

• Oceanografija, meteorologija in podnebne znanosti - Ker je ozračje modelirano kot tekočine, je preučevanje znanosti o atmosferi in oceanske tokove, ključnega pomena za razumevanje in napovedovanje vremenskih vzorcev in podnebnih trendov, se močno zanaša na dinamiko tekočin.
• Aeronavtika - Fizika dinamike tekočin vključuje proučevanje pretoka zraka, da se ustvari vlečenje in dvigovanje, kar posledično ustvari sile, ki omogočajo težji polet kot zrak.
• Geologija in geofizika - Tektonske plošče vključuje preučevanje gibanja segrete snovi znotraj tekočega jedra Zemlje.
• Hematologija & Hemodinamika -Biološka študija krvi vključuje preučitev njenega kroženja skozi krvne žile, krvni obtok pa lahko modeliramo z metodami dinamike tekočin.
• Fizika plazme - čeprav niti tekočina niti plin, plazma se pogosto obnaša na načine, ki so podobni tekočinam, zato jih je mogoče modelirati tudi z uporabo dinamike tekočin.
• Astrofizika in kozmologija - Proces evolucije zvezde vključuje spreminjanje zvezd skozi čas, kar je mogoče razumeti s preučevanjem, kako plazma, ki jo sestavljajo zvezde, skozi čas teče in medsebojno deluje.
• Analiza prometa - Morda je ena najbolj presenetljivih uporab dinamike dinamike razumevanje gibanja prometa, tako prometa kot pešcev. Na območjih, kjer je promet dovolj gost, je mogoče celoten promet obravnavati kot eno samo celoto, ki se obnaša na načine, ki so približno podobni toku tekočine.

Dinamika tekočin se včasih imenuje tudi hidrodinamika, čeprav je to bolj zgodovinski izraz. Skozi dvajseto stoletje se je izraz "dinamika tekočin" začel veliko pogosteje uporabljati.

Tehnično bi bilo primerneje reči, da je hidrodinamika takrat, ko se dinamika tekočin uporablja za tekočine v gibanju in aerodinamika je, ko se dinamika tekočine uporablja za pline v gibanju.

Vendar v praksi specializirane teme, kot sta hidrodinamična stabilnost in magnetohidrodinamika, uporabljajo predpono "hidro-", tudi kadar te koncepte uporabljajo pri gibanju plinov.