Supratimas, kas yra skysčio dinamika

Skysčių dinamika yra skysčių judėjimo tyrimas, įskaitant jų sąveiką, kai du skysčiai liečiasi vienas su kitu. Šiame kontekste terminas „skystas“ reiškia bet kurį iš jų skystis ar dujos. Tai makroskopinis statistinis metodas analizuoti šias sąveikas dideliu mastu, peržiūrėti skysčius kaip materijos kontinuumas ir paprastai nekreipiant dėmesio į tai, kad skystis ar dujos yra sudaryti iš atskirų asmenų atomai.

Skysčių dinamika yra viena iš dviejų pagrindinių skysčių mechanika, su kita šaka skysta statika, skysčių tyrimas ramybės būsenoje. (Turbūt nenuostabu, kad skysčio statika dažniausiai gali būti laikoma šiek tiek mažiau jaudinanti nei skysčio dinamika.)

Kiekviena disciplina apima sąvokas, kurios yra labai svarbios norint suprasti, kaip ji veikia. Čia yra keletas pagrindinių, su kuriais susidursite bandydami suprasti skysčių dinamiką.

Skysčio sąvokos, kurios taikomos skysčių statikoje, taip pat yra svarbios tiriant judantį skystį. Ankstyviausia skysčių mechanikos koncepcija yra ši

Kai skysčiai teka, tankis ir slėgis skysčių taip pat yra labai svarbūs norint suprasti, kaip jie sąveikaus. klampumas nustato, koks atsparus turi būti skysčio pasikeitimas, todėl jis taip pat būtinas tiriant skysčio judėjimą. Štai keli iš šių analizių iškylantys kintamieji:

• Masinis klampumas: μ
• Tankis: ρ
• Kinematinis klampumas: ν = μ / ρ

Kadangi skysčio dinamika apima skysčio judesio tyrimą, viena iš pirmųjų sąvokų, kurią reikia suprasti, yra tai, kaip fizikai apskaičiuoja tą judėjimą. Terminas, kurį fizikai vartoja apibūdindami fizines skysčio judėjimo savybes, yra srautas. Srautas apibūdina platų skysčių judėjimo diapazoną, pavyzdžiui, pūtimą oru, tekėjimą per vamzdį ar tekėjimą paviršiumi. Skysčio srautas klasifikuojamas įvairiais būdais, atsižvelgiant į įvairias srauto savybes.

Jei skysčio judėjimas laikui bėgant nesikeičia, jis laikomas a pastovi srovė. Tai lemia situacija, kai visos srauto savybės išlieka pastovios laiko atžvilgiu arba pakaitomis apie jas galima kalbėti sakydami, kad srauto lauko laiko išvestinės išnyksta. (Norėdami sužinoti daugiau apie darinius, patikrinkite skaičiavimus.)

A pastovaus srauto dar mažiau priklauso nuo laiko, nes visos skysčio savybės (ne tik srauto savybės) išlieka pastovios kiekviename skysčio taške. Taigi, jei tekėjote pastovų srautą, bet paties skysčio savybės tam tikru momentu pasikeitė (galbūt dėl barjeras, sukeliantis nuo laiko priklausomus pūlinius kai kuriose skysčio dalyse), tada jūs tęstumėte tėkmę, kuri yra ne pastovaus srauto.

Vis dėlto visi nuolatinės būsenos srautai yra pastovių srautų pavyzdžiai. Srovė, tekanti pastoviu greičiu per tiesų vamzdį, būtų pastovios būsenos (o kartu ir pastovaus srauto) pavyzdys.

Jei pats srautas turi savybių, kurios laikui bėgant keičiasi, tada jis vadinamas an netolygus srautas arba a trumpalaikis srautas. Lietus, per audrą tekantis į lataką, yra netolygaus srauto pavyzdys.

Paprastai dėl pastovių srautų lengviau išspręsti problemas nei su netolygiais srautais - to ir galima tikėtis atsižvelgiant į tai, kad nereikia atsižvelgti į laiko pokyčius, srauto pokyčius, o laikui bėgant kintantys dalykai paprastai padarys daugiau sudėtinga.

Teigiama, kad sklandus skysčio srautas laminarinis srautas. Sakoma, kad srautas, kuriame yra iš pažiūros chaotiškas netiesinis judėjimas neramus srautas. Pagal apibrėžimą turbulentinis srautas yra netolygaus srauto tipas.

Abiejų tipų srautuose gali būti sūkurių, sūkurių ir įvairių tipų recirkuliacijos, nors kuo daugiau tokio elgesio būdų, tuo didesnė tikimybė, kad srautas bus klasifikuojamas kaip turbulentinis.

Skirtumas tarp to, ar srautas yra sluoksninis, ar turbulentinis, paprastai yra susijęs su Reinoldso numeris (Re). Reynoldsą pirmą kartą 1951 m. Apskaičiavo fizikas George'as Gabrielis Stokesas, tačiau jis pavadintas XIX amžiaus mokslininko Osborne'o Reynoldso vardu.

Reinoldso skaičius priklauso ne tik nuo paties skysčio specifikos, bet ir nuo jo tekėjimo sąlygų, apskaičiuotų kaip inercinių jėgų ir klampių jėgų santykis tokiu būdu:

Re = Inercinė jėga / Klampios jėgos

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Terminas dV / dx yra greičio gradientas (arba pirmasis greičio darinys), proporcingas greičiui (V) padalytą L, atitinkančią ilgio skalę, gaunant dV / dx = V / L. Antrasis darinys yra toks, kad d²V / dx² = V / L². Pakeitus juos pirmuoju ir antruoju dariniais, gaunama:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Taip pat galite padalinti pagal ilgio skalę L, taip gaunant a Reinoldso skaičius vienai kojai, pažymėtas kaip Re f = V / ν.

Mažas Reynoldso skaičius rodo sklandų sluoksniuotą srautą. Aukštas Reynoldso skaičius rodo srautą, kuris parodys sūkurius ir sūkurius ir paprastai bus neramus.

Vamzdžių srautas reiškia srautą, kuris liečiasi su standžiomis visomis sienomis, tokiomis kaip vanduo, judantis per vamzdį (taigi pavadinimas „vamzdžio srautas“), arba oras, judantis per oro kanalą.

Srautas atviruoju kanalu apibūdina srautą kitose situacijose, kai yra bent vienas laisvas paviršius, nesiliečiantis su standžia riba. (Techniniu požiūriu laisvasis paviršius turi 0 lygiagrečių įtempių.) Atviro kanalo srauto atvejai apima: vanduo teka upe, potvyniai, lietaus metu teka vanduo, potvynio srovės ir laistymo kanalai. Tokiais atvejais tekančio vandens paviršius, kuriame vanduo liečiasi su oru, reiškia srauto „laisvą paviršių“.

Srautus vamzdyje lemia slėgis arba sunkio jėga, tačiau srautus atvirojo kanalo situacijose lemia tik sunkio jėga. Miesto vandens sistemos dažnai naudojasi vandens bokštais, kad tuo pasinaudotų, kad vandens aukštis bokšte ( hidrodinaminė galva) sukuria slėgio skirtumą, kuris vėliau sureguliuojamas mechaniniais siurbliais, kad vanduo patektų į tas vietas sistemoje, kur jų reikia.

Dujos paprastai yra laikomos suslėgtais skysčiais, nes jų tūris gali būti sumažintas. Oro kanalą galima sumažinti perpus mažesniu dydžiu ir tiekti tuo pačiu dujų kiekiu tuo pačiu greičiu. Net kai dujos teka per oro kanalą, kai kuriuose regionuose bus didesnis tankis nei kituose regionuose.

Paprastai buvimas nesuspaudžiamas reiškia, kad bet kurio skysčio srities tankis, keičiantis srautui, nesikeičia kaip laiko funkcija. Skysčiai taip pat gali būti suspausti, žinoma, tačiau tai gali būti labiau ribojama. Dėl šios priežasties skysčiai paprastai modeliuojami taip, lyg jie būtų nesuspausti.

Bernulio principas yra dar vienas svarbus skysčių dinamikos elementas, paskelbtas Danieliaus Bernoulli 1738 m. knygoje Hidrodinamika. Paprasčiau tariant, skysčio greičio padidėjimą jis susieja su slėgio ar potencialios energijos sumažėjimu. Nesuspaudžiamiems skysčiams tai galima apibūdinti naudojant tai, kas vadinama Bernulio lygtis:

(v²/2) + gz + p/ρ = pastovus

Kur g yra pagreitis dėl sunkio jėgos, ρ yra slėgis visame skystyje, v yra skysčio tekėjimo greitis tam tikrame taške, z yra aukštis toje vietoje, ir p yra slėgis taške. Kadangi skystyje tai yra pastovu, tai reiškia, kad šios lygtys gali susieti bet kuriuos du taškus, 1 ir 2, su šia lygtimi:

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

Paskalio įstatymas taip pat susijęs su skysčio slėgio ir potencialios energijos santykiu, kylančiu iš pakilimo.

Du trečdaliai Žemės paviršiaus yra vanduo, o planetą supa atmosferos sluoksniai, todėl mes tiesiogine prasme visą laiką esame apsupti skysčių... beveik visada juda.

Šiek tiek pagalvojus apie tai tampa visiškai akivaizdu, kad norint mokytis ir suprasti moksliškai, judančių skysčių sąveika bus daug. Žinoma, čia atsiranda skysčio dinamika, todėl netrūksta laukų, kuriuose pritaikytos skysčių dinamikos sąvokos.

Šis sąrašas nėra neišsamus, tačiau pateikia gerą vaizdą, kaip skysčių dinamika pasireiškia atliekant fizikos studijas įvairiose specializacijose:

• Okeanografija, meteorologija ir klimato mokslas - Kadangi atmosfera modeliuojama kaip skysčiai, atmosferos mokslo studijos ir vandenyno srovės, labai svarbus norint suprasti ir numatyti orų pokyčius ir klimato tendencijas, labai priklauso nuo skysčių dinamikos.
• Aviacija - Skysčių dinamikos fizika apima oro srauto tyrimą, kad būtų sukurtas tempimas ir pakėlimas, o tai savo ruožtu sukuria jėgas, leidžiančias skrieti sunkiau už orą.
• Geologija ir geofizika - Plokštės tektonika apima įkaitintos medžiagos judėjimo skystoje Žemės šerdyje studijas.
• Hematologija ir Hemodinamika -Biologinis kraujo tyrimas apima jo cirkuliacijos per kraujagysles tyrimą, o kraujotaką galima modeliuoti naudojant skysčių dinamikos metodus.
• Plazmos fizika - Nors nei skystis, nei dujos, plazma dažnai elgiasi panašiai kaip skysčiai, todėl gali būti modeliuojami ir naudojant skysčių dinamiką.
• Astrofizika ir kosmologija - Žvaigždžių evoliucijos procesas apima žvaigždžių pasikeitimą laikui bėgant, o tai galima suprasti tiriant, kaip žvaigždes sudaranti plazma bėga ir sąveikauja žvaigždės viduje per tam tikrą laiką.
• Eismo analizė - Ko gero, vienas iš nuostabiausių skysčių dinamikos pritaikymų yra suprasti transporto, tiek pėsčiųjų, tiek transporto eismą. Tose vietose, kur eismas yra pakankamai tankus, visą eismą galima traktuoti kaip vieną visumą, kuri elgiasi maždaug taip, kad būtų pakankamai panaši į skysčio srautą.

Skysčių dinamika taip pat kartais vadinama hidrodinamika, nors tai daugiau istorinis terminas. Per visą XX amžių frazė „skysčio dinamika“ tapo kur kas plačiau vartojama.

Techniškai tikslingiau būtų sakyti, kad hidrodinamika yra tada, kai skysčių dinamika taikoma judantiems skysčiams aerodinamika yra tada, kai judančioms dujoms taikoma skysčių dinamika.

Tačiau praktikoje specializuotos temos, tokios kaip hidrodinaminis stabilumas ir magnetohidrodinamika, naudoja priešdėlį „hidro-“ net tada, kai taiko šias sąvokas dujų judėjimui.