Înțelegerea care este dinamica fluidelor

Dinamica fluidelor este studiul mișcării fluidelor, inclusiv interacțiunile lor, deoarece două fluide vin în contact între ele. În acest context, termenul "fluid" se referă la oricare lichide sau gaze. Este o abordare macroscopică, statistică, pentru analizarea acestor interacțiuni la scară largă, vizualizarea fluidelor ca un continuum al materiei și ignorând în general faptul că lichidul sau gazul este compus din individ atomi.

Dinamica fluidelor este una dintre cele două ramuri principale ale mecanica fluidelor, cu cealaltă ramură fiind statice fluide, studiul lichidelor în repaus. (Poate că nu este surprinzător, statica fluidelor poate fi considerată un pic mai puțin interesantă de cele mai multe ori decât dinamica fluidelor.)

Fiecare disciplină implică concepte care sunt cruciale pentru a înțelege modul în care funcționează. Iată câteva dintre principalele pe care le veți întâlni atunci când încercați să înțelegeți dinamica fluidelor.

Conceptele de fluide care se aplică în statica fluidelor intră și ele în joc atunci când studiați fluidul care este în mișcare. Aproape cel mai timpuriu concept în mecanica fluidelor este cel al Plutire, descoperit în Grecia antică de Arhimede.

Pe măsură ce fluidele curg, densitate și presiune dintre lichide sunt, de asemenea, cruciale pentru a înțelege modul în care vor interacționa. viscozitate determină cât de rezistentă se schimbă lichidul, deci este esențial și în studierea mișcării lichidului. Iată câteva dintre variabilele care apar în aceste analize:

• Vâscozitate în vrac: μ
• Densitate: ρ
• Vâscozitate cinematică: ν = μ / ρ

Întrucât dinamica fluidelor implică studiul mișcării fluidului, unul dintre primele concepte care trebuie înțelese este modul în care fizicienii cuantifică această mișcare. Termenul pe care îl folosesc fizicienii pentru a descrie proprietățile fizice ale mișcării lichidului este curgere. Fluxul descrie o gamă largă de mișcare a fluidului, cum ar fi suflarea prin aer, care curge printr-o țeavă sau care circulă de-a lungul unei suprafețe. Fluxul unui fluid este clasificat într-o varietate de moduri diferite, pe baza diferitelor proprietăți ale fluxului.

Dacă mișcarea fluidului nu se modifică în timp, se consideră a flux constant. Acest lucru este determinat de o situație în care toate proprietățile fluxului rămân constante în timp sau alternativ se poate vorbi spunând că derivatele de timp ale câmpului de flux dispar. (Consultați calculul pentru mai multe despre înțelegerea derivatelor.)

A fluxul în stare constantă este și mai puțin dependentă de timp, deoarece toate proprietățile fluidului (nu doar proprietățile de curgere) rămân constante în fiecare punct din fluid. Deci, dacă ai avut un flux constant, dar proprietățile lichidului în sine s-au schimbat la un moment dat (eventual din cauza o barieră care provoacă ondulații dependente de timp în unele părți ale fluidului), atunci ai avea un flux constant care este nu un flux în stare constantă.

Cu toate acestea, toate fluxurile în stare constantă sunt exemple de fluxuri stabile. Un curent care curge în ritm constant printr-o conductă dreaptă ar fi un exemplu de debit constant (și, de asemenea, un debit constant).

Dacă fluxul în sine are proprietăți care se schimbă în timp, atunci se numește an curgerea nesigură sau a fluxul tranzitoriu. Ploaia care curge într-un jgheab în timpul unei furtuni este un exemplu de curgere nesigură.

De regulă generală, fluxurile constante fac față problemelor mai ușoare decât fluxurile nesigure, ceea ce se aștepta, având în vedere că Modificările în funcție de timp ale fluxului nu trebuie luate în considerare și lucrurile care se schimbă în timp, de obicei, vor face lucrurile mai mult complicat.

Se spune că un flux lin de lichid are flux laminar. Se spune că fluxul care conține mișcare aparent haotică, neliniară curgere turbulentă. Prin definiție, un flux turbulent este un tip de debit nesigur.

Ambele tipuri de fluxuri pot conține edituri, vârtejuri și diferite tipuri de recirculare, deși cu cât există mai multe astfel de comportamente, cu atât este mai probabil ca fluxul să fie clasificat ca turbulent.

Diferența dintre dacă un flux este laminar sau turbulent este de obicei legată de Numărul lui Reynolds (Re). Numărul Reynolds a fost calculat pentru prima dată în 1951 de către fizicianul George Gabriel Stokes, dar este numit după omul de știință din secolul al XIX-lea, Osborne Reynolds.

Numărul lui Reynolds depinde nu numai de specificul fluidului în sine, ci și de condițiile fluxului său, derivat ca raportul forțelor inerțiale la forțele vâscoase în felul următor:

Re = Forța inerțială / Forțele vâscoase

Re = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Termenul dV / dx este gradientul vitezei (sau primul derivat al vitezei), care este proporțional cu viteza (V) impartit de L, reprezentând o scală de lungime, rezultând dV / dx = V / L. Al doilea derivat este astfel încât d²V / dx² = V / L². Înlocuirea acestora pentru prima și a doua derivate are ca rezultat:

Re = (ρ V V/L) / (μ V/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Puteți, de asemenea, să vă împărțiți cu scara de lungime L, rezultând o Reynolds numărul pe picior, desemnat ca Re f = V / ν.

Un număr scăzut de Reynolds indică un flux liniar, laminar. Un număr mare de Reynolds indică un flux care va demonstra vornici și vârtejuri și va fi în general mai tulburat.

Fluxul conductei reprezintă un flux care este în contact cu limitele rigide de pe toate părțile, cum ar fi apa care se deplasează printr-o conductă (de aici denumirea de "conductă de conductă") sau aerul care se deplasează printr-un canal de aer.

Flux de canal deschis descrie fluxul în alte situații în care există cel puțin o suprafață liberă care nu este în contact cu o graniță rigidă. (În termeni tehnici, suprafața liberă are 0 solicitări paralele paralele.) Cazurile cu flux de canal deschis includ apa care se deplasează printr-un râu, inundații, apa care curge în timpul ploii, curenții de maree și canalele de irigare. În aceste cazuri, suprafața apei curgătoare, unde apa este în contact cu aerul, reprezintă „suprafața liberă” a fluxului.

Fluxurile dintr-o conductă sunt conduse fie de presiune, fie de gravitație, dar fluxurile în situații cu canal deschis sunt conduse numai de gravitație. Sistemele de apă din oraș folosesc adesea turnuri de apă pentru a profita de acest lucru, astfel încât diferența de cota a apei din turn ( cap hidrodinamic) creează un diferențial de presiune, care este apoi reglat cu pompe mecanice pentru a duce apa la locațiile din sistemul în care sunt necesare.

Gazele sunt tratate în general ca lichide comprimabile, deoarece volumul care le conține poate fi redus. Un canal de aer poate fi redus cu jumătate din dimensiune și poartă în același ritm aceeași cantitate de gaz. Chiar pe măsură ce gazul curge prin conducta de aer, unele regiuni vor avea densități mai mari decât alte regiuni.

De regulă generală, a fi incompresibil înseamnă că densitatea oricărei regiuni a fluidului nu se schimbă în funcție de timp, pe măsură ce trece prin flux. Desigur, lichidele pot fi comprimate, dar există mai mult o limitare a cantității de compresie care poate fi făcută. Din acest motiv, lichidele sunt modelate de obicei ca și cum ar fi incompresibile.

Principiul lui Bernoulli este un alt element cheie al dinamicii fluidelor, publicat în cartea lui Daniel Bernoulli din 1738 Hydrodynamica. Mai simplu spus, se referă la creșterea vitezei într-un lichid la o scădere a presiunii sau a energiei potențiale. Pentru lichidele incompresibile, acest lucru poate fi descris folosind ceea ce este cunoscut Ecuația lui Bernoulli:

(v²/2) + gz + p/ρ = constantă

Unde g este accelerația datorată gravitației, ρ este presiunea pe întregul lichid, v este viteza de curgere a fluidului la un moment dat, z este altitudinea în acel moment și p este presiunea în acel moment. Deoarece aceasta este constantă într-un fluid, aceasta înseamnă că aceste ecuații pot lega oricare două puncte, 1 și 2, cu următoarea ecuație:

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

Relația dintre presiune și energia potențială a unui lichid bazat pe altitudine este, de asemenea, legată de Legea lui Pascal.

Două treimi din suprafața Pământului este apă și planeta este înconjurată de straturi de atmosferă, așa că suntem literalmente înconjurați în permanență de lichide... aproape întotdeauna în mișcare.

Gândindu-ne un pic, acest lucru este destul de evident că ar exista o mulțime de interacțiuni de fluide în mișcare pentru ca noi să studiem și să înțelegem științific. Acolo intervine, desigur, dinamica fluidelor, deci nu există o penurie de câmpuri care aplică concepte din dinamica fluidelor.

Această listă nu este deloc exhaustivă, dar oferă o imagine de ansamblu bună a modurilor în care dinamica fluidelor apare în studiul fizicii într-o serie de specializări:

• Oceanografie, meteorologie și științe climatice - De vreme ce atmosfera este modelată ca fluide, studiul științei atmosferice și curenti oceanici, crucială pentru înțelegerea și prezicerea tiparelor meteorologice și a tendințelor climatice, se bazează puternic pe dinamica fluidelor.
• Aeronautică - Fizica dinamicii fluidelor implică studierea fluxului de aer pentru a crea tracțiune și ridicare, care la rândul lor generează forțele care permit zborul mai greu decât aerul.
• Geologie și Geofizică - Placi tectonice implică studierea mișcării materiei încălzite în miezul lichid al Pământului.
• Hematologie & hemodinamica -Studiul biologic al sângelui include studiul circulației sale prin vase de sânge, iar circulația sângelui poate fi modelată folosind metodele de dinamică a fluidelor.
• Fizica plasmatică - Deși nici un lichid și nici un gaz, plasmă adesea se comportă în moduri similare cu fluidele, deci pot fi modelate și folosind dinamica fluidelor.
• Astrofizică și cosmetologie - Procesul evoluției stelare implică schimbarea stelelor în timp, ceea ce poate fi înțeles prin studierea modului în care plasma care compune stelele curge și interacționează în interiorul stelei.
• Analiza traficului - Poate una dintre cele mai surprinzătoare aplicații ale dinamicii fluidelor este în înțelegerea circulației traficului, atât a vehiculelor, cât și a pietonilor. În zonele în care traficul este suficient de dens, întregul corp de trafic poate fi tratat ca o singură entitate care se comportă în moduri care sunt destul de asemănătoare cu fluxul unui fluid.

Dinamica fluidelor este, de asemenea, uneori denumită ca fiind hidrodinamicădeși acesta este mai mult un termen istoric. De-a lungul secolului XX, sintagma „dinamica fluidelor” a devenit mult mai frecvent folosită.

Tehnic, ar fi mai potrivit să spunem că hidrodinamica este atunci când dinamica fluidelor este aplicată lichidelor în mișcare și aerodinamică este atunci când dinamica fluidelor este aplicată gazelor în mișcare.

Cu toate acestea, în practică, subiecte specializate precum stabilitatea hidrodinamică și magnetohidrodinamica folosesc prefixul „hidro-” chiar și atunci când aplică acele concepte la mișcarea gazelor.