Разумевање шта је динамика флуида

Динамика флуида је проучавање кретања течности, укључујући и њихову интеракцију јер две течности долазе у међусобни контакт. У том контексту, термин "течност" односи се на било који течност или гасови. То је макроскопски, статистички приступ анализи ове интеракције у великом обиму, гледању течности као континуитет материје и уопште занемарујући чињеницу да је течност или гас састављен од појединца атома.

Динамика флуида је једна од две главне гране механика флуида, а друга грана је статичка течност, проучавање течности у мировању. (Можда није изненађујуће, већину времена се на статику течности може сматрати мало мање узбудљивом од динамике течности.)

Свака дисциплина укључује концепте који су кључни за разумевање начина на који функционише. Ево неких главних на које ћете наићи приликом покушаја разумевања динамике течности.

Концепти флуида који се примењују у статичности флуида такође долазе у обзир када се проучава флуид који се креће. Прилично је рани концепт механике флуида пловност, откривено у древна Грчка од Архимеда.

Како течност тече, густина и притисак течности такође су од пресудног значаја за разумевање начина на који ће међусобно деловати. Тхе вискозитет одређује отпорност течности на промене, тако да је такође битно за проучавање кретања течности. Ево неких од променљивих које се јављају у овим анализама:

• Насипни вискозитет: μ
• Густина: ρ
• Кинематичка вискозност: ν = μ / ρ

Будући да динамика течности укључује проучавање кретања течности, један од првих концепата који треба схватити је како физичари квантитативно одређују то кретање. Израз који физичари користе да опишу физичка својства кретања течности је проток. Проток описује широк распон кретања течности, попут пухања кроз ваздух, струјања кроз цев или струјања по површини. Проток течности класификован је на више различитих начина на основу различитих својстава протока.

Ако се кретање течности током времена не мења, сматра се да стабилан проток. Ово је одређено ситуацијом када сва својства тока остају константна с обзиром на време или се наизменично може говорити о томе да временски деривати поља протока нестају. (Погледајте рачун за више информација о разумевању деривата.)

А проток стабилног стања још мање зависи од времена јер сва својства флуида (не само својства протока) остају константна у свакој тачки течности. Дакле, ако сте имали стални проток, али су се својства течности у неком тренутку променила (вероватно и због тога баријера која проузрокује валовите зависности од времена у неким деловима течности), тада бисте имали сталан проток не проток у сталном стању.

Међутим, сви протоци у стабилном стању су примери сталних токова. Струја која константном брзином тече кроз равну цев био би пример устаљеног протока (а такође и сталног протока).

Ако сам ток има својства која се временом мењају, онда се то назива ан нестабилни проток или а пролазни ток. Киша која цури у олуку током олује је пример нестабилног тока.

По правилу, стални токови олакшавају рјешавање проблема од нестабилних токова, што би и очекивали с обзиром на то да Промјене тока које зависе од времена не морају се узимати у обзир, а ствари које се временом мијењају обично ће ствари учинити више компликован.

Каже се да глатки проток течности ламинарни. Каже се да ток који садржи наизглед хаотично нелинеарно кретање турбулентно струјање. По дефиницији, турбулентни ток је врста нестабилног тока.

Обе врсте протока могу садржавати вртлоге, вртлоге и разне врсте рециркулације, мада што више таквих понашања постоје, већа је вероватноћа да ће се ток класификовати као турбулентан.

Разлика између тога да ли је ток ламинантан или турбулентан обично је повезан са Реинолдсов број (Ре). Реинолдсов број први је израчунао 1951. године физичар Георге Габриел Стокес, али је добио име по научнику из 19. века Осборну Реинолдсу.

Реинолдсов број овиси не само о специфичностима самог флуида већ и о условима његовог протока, изведенима као однос инерцијалних сила и вискозних сила на сљедећи начин:

Ре = Инерцијална сила / вискозне силе

Ре = (ρВдВ/дк) / (μ д²В / дк²)

Израз дВ / дк је градијент брзине (или први дериват брзине), пропорционалан брзини (В) подељено са Л, представља скалу дужина, што резултира дВ / дк = В / Л. Други дериват је такав да д²В / дк² = В / Л². Замјена ових у првом и другом деривату резултира у:

Ре = (ρ В В/Л) / (μ В/Л²)

Ре = (ρ В Л) / μ

Такође можете поделити скалу дужине Л, што резултира а Реинолдсов број по нози, означен као Ре ф = В / ν.

Низак Реинолдсов број указује на глатки, ламинарни проток. Висок Реинолдсов број указује на ток који ће демонстрирати вртлоге и вртлоге и генерално ће бити турбулентнији.

Проток цеви представља проток који је у додиру са крутим границама са свих страна, као што је вода која се креће кроз цев (отуда и назив „проток цеви“) или ваздух који се креће кроз ваздушни канал.

Отвор отвореног канала описује проток у другим ситуацијама када постоји барем једна слободна површина која није у контакту са чврстом границом. (Технички гледано, слободна површина има 0 паралелних напрезања.) ​​Случајеви отвореног протока укључују вода која се креће кроз реку, поплаве, вода која тече за време кише, плимне струје и канали за наводњавање. У тим случајевима површина воде која тече, где је вода у контакту са ваздухом, представља „слободну површину“ тока.

Ток у цеви се покреће било притиском или гравитацијом, али протоци у отвореним каналима покрећу се искључиво гравитацијом. Градски водоводни системи често користе водотокове како би то искористили, тако да је разлика у висини воде у торњу ( хидродинамичка глава) ствара диференцијални притисак који се затим подешава механичким пумпама да би вода дошла до места у систему где су потребне.

Гасови се углавном третирају као флуид за стискање, јер се запремина која их садржи може смањити. Зрачни канал се може смањити за половину и даље трошити исту количину гаса истом брзином. Чак и док гас тече кроз ваздушни канал, неке регије ће имати већу густоћу од осталих.

Као опште правило, бити некомпатибилно значи да се густина било које регије течности не мења као функција времена док се креће кроз проток. Течности се такође могу компримовати, наравно, али постоји више ограничења у погледу количине компресије која се може извршити. Из тог разлога се течности обично моделирају као да су некомпресивне.

Берноуллијев принцип је још један кључни елемент динамике флуида, објављен у књизи Даниела Берноуллија из 1738. године Хидродинамица. Једноставно речено, повећава брзину у течности са смањењем притиска или потенцијалне енергије. За некомпресобилне течности то се може описати употребом онога што је познато Берноуллијева једначина:

(в²/2) + гз + п/ρ = константа

Где г је убрзање захваљујући гравитацији, ρ је притисак у целој течности, в је брзина протока течности у датој тачки, з је надморска висина у тој тачки, и п је притисак у тој тачки. Пошто је ово константно у неком флуиду, то значи да ове једначине могу повезати било које две тачке, 1 и 2, са следећом једначином:

(в₁²/2) + гз₁ + п₁/ρ = (в₂²/2) + гз₂ + п₂/ρ

Однос између притиска и потенцијалне енергије течности који се заснива на елевацији такође је повезан кроз Пасцалов закон.

Две трећине Земљине површине је вода, а планета је окружена слојевима атмосфере, тако да смо буквално у сваком тренутку окружени течностима... скоро увек у покрету.

Размишљајући о томе мало, ово чини прилично очигледним да би било доста интеракција покретних течности да бисмо научно проучавали и разумели. Ту наравно долази и динамика течности, тако да нема недостатка поља која примењују концепте из динамике течности.

Ова листа уопште није исцрпна, али пружа добар преглед начина на које се динамика течности показује у проучавању физике кроз различите специјализације:

• Оцеанографија, метеорологија и наука о клими - Пошто се атмосфера моделира као течност, проучавање наука о атмосфери и океанске струје, кључно за разумевање и предвиђање временских образаца и климатских кретања, увелико се ослања на динамику флуида.
• Аеронаутицс - Физика динамике течности укључује проучавање протока ваздуха да би се створило повлачење и подизање, што заузврат генерише силе које омогућавају лет тежа од ваздуха.
• Геологија и геофизика - Тектоника плоча укључује проучавање кретања загрејане материје унутар течног језгра Земље.
• Хематологија & Хемодинамика -Биолошка студија крви укључује проучавање њене циркулације кроз крвне судове, а крвоток се може моделирати користећи методе динамике течности.
• Физика плазме - Иако ни течност ни гас, плазма често се понаша на начине сличне течностима, па се такође може моделирати користећи динамику течности.
• Астрофизика и космологија - Процес еволуције звезде укључује промену звезда у току времена, што се може разумети проучавањем како плазма која сачињава звезде тече и интеракција унутар звезде током времена.
• Анализа саобраћаја - Можда је једна од најнеобичнијих примена флуидне динамике разумевање кретања саобраћаја, и саобраћаја и пешака. У областима у којима је саобраћај довољно густ, целокупно тело саобраћаја може се третирати као јединствена целина која се понаша на приближно приближно сличан ток течности.

Динамика флуида се такође понекад назива хидродинамика, мада је ово више историјски израз. Током двадесетог века, фраза "динамика флуида" постала је много уобичајенија.

Технички би било прикладније рећи да је хидродинамика када се динамика течности примењује на течности у покрету и аеродинамика је када се динамика течности примењује на гасове у покрету.

Међутим, у пракси, специјализоване теме као што су хидродинамичка стабилност и магнетохидродинамика користе префикс „хидро-“, чак и када оне примењују на кретање гасова.