Pochopení toho, co je dynamika tekutin

Dynamika tekutin je studium pohybu tekutin, včetně jejich interakcí, když dvě tekutiny přicházejí do vzájemného styku. V této souvislosti se termínem „tekutina“ rozumí také kapalina nebo plyny. Jedná se o makroskopický statistický přístup k analýze těchto interakcí ve velkém měřítku při sledování tekutin jako kontinuum hmoty a obecně ignorující skutečnost, že kapalina nebo plyn se skládá z jednotlivce atomy.

Dynamika tekutin je jednou ze dvou hlavních větví mechanika tekutin, s druhou větev tekutinová statika, studium tekutin v klidu. (Možná není divu, že statika tekutin může být považována za poněkud méně vzrušující než dynamika tekutin.)

Každá disciplína zahrnuje koncepty, které jsou zásadní pro pochopení jejího fungování. Zde jsou některé z hlavních, se kterými se setkáte, když se snažíte porozumět dynamice tekutin.

Při zkoumání tekutiny, která je v pohybu, přicházejí do hry také tekutinové koncepty, které se používají ve statice tekutin. Nejčasnější koncept mechaniky tekutin je koncept

Jak tekutina proudí, hustota a tlak tekutin jsou také zásadní pro pochopení toho, jak budou interagovat. viskozita určuje, jak je kapalina odolná vůči změnám, takže je také nezbytná při studiu pohybu kapaliny. Zde jsou některé z proměnných, které se objevují v těchto analýzách:

• Objemová viskozita: μ
• Hustota: ρ
• Kinematická viskozita: ν = μ / ρ

Protože dynamika tekutin zahrnuje studium pohybu tekutiny, jedním z prvních konceptů, které je třeba pochopit, je to, jak fyzici kvantifikují tento pohyb. Termín, který fyzici používají k popisu fyzikálních vlastností pohybu kapaliny, je tok. Tok popisuje širokou škálu pohybu tekutin, jako je foukání vzduchem, protékání trubkou nebo běh po povrchu. Tok tekutiny je klasifikován řadou různých způsobů, na základě různých vlastností toku.

Pokud se pohyb tekutiny v průběhu času nemění, považuje se za a stálý průtok. To je určeno situací, kdy všechny vlastnosti toku zůstávají konstantní s ohledem na čas nebo se o nich dá mluvit tak, že se zmíní časové deriváty tokového pole. (Pro více informací o derivátech se podívejte na počet.)

A tok v ustáleném stavu je ještě méně časově závislý, protože všechny vlastnosti tekutiny (nejen vlastnosti toku) zůstávají konstantní v každém bodě v tekutině. Takže pokud jste měli stálý průtok, ale vlastnosti tekutiny samotné se v určitém bodě změnily (pravděpodobně kvůli bariéra způsobující časově závislé vlnění v některých částech tekutiny), pak byste měli stabilní tok, který je ne tok v ustáleném stavu.

Všechny toky v ustáleném stavu jsou však příklady ustálených toků. Proud tekoucí konstantní rychlostí přímým potrubím by byl příkladem toku v ustáleném stavu (a také stálého toku).

Pokud má samotný tok vlastnosti, které se časem mění, pak se nazývá nestabilní tok nebo a přechodný tok. Příkladem nestálého proudění je déšť proudící do okapu během bouře.

Obecně platí, že stálé toky způsobují snazší řešení problémů než nestabilní toky, což by se dalo očekávat vzhledem k tomu, že časově závislé změny toku nemusí být brány v úvahu a věci, které se v průběhu času mění, obvykle dělají věci více složitý.

Hladký tok kapaliny je řekl, aby měl laminární proudění. Proud, který obsahuje zdánlivě chaotický, nelineární pohyb, je prý turbulentní proudění. Podle definice je turbulentní tok typem nestálého toku.

Oba typy toků mohou obsahovat víry, víry a různé typy recirkulace, ačkoli čím více takových chování existuje, tím je pravděpodobnější, že tok bude klasifikován jako turbulentní.

Rozdíl mezi tím, zda je tok laminární nebo turbulentní, obvykle souvisí s Reynoldsovo číslo (Re). Reynoldsovo číslo bylo poprvé vypočítáno v roce 1951 fyzikem Georgem Gabrielem Stoksem, ale pojmenováno po vědci 19. století Osborne Reynoldsovi.

Reynoldsovo číslo závisí nejen na specifikách samotné tekutiny, ale také na podmínkách jejího toku, odvozeného jako poměr setrvačných sil k viskozním silám následujícím způsobem:

Re = Inerciální síla / viskózní síly

Re = (ρPROTIdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Termín dV / dx je gradient rychlosti (nebo první derivace rychlosti), který je úměrný rychlosti (PROTI) děleno L, představující měřítko délky, což vede k dV / dx = V / L. Druhý derivát je takový, že²V / dx² = V / L². Jejich nahrazení první a druhou derivací má za následek:

Re = (ρ V V/L) / (μV/L²)

Re = (ρ V L) / μ

Můžete také rozdělit délkovou stupnicí L, což má za následek a Reynolds číslo na nohu, označeno jako Re f = PROTI / ν.

Nízké Reynoldsovo číslo znamená hladký laminární tok. Vysoké Reynoldsovo číslo označuje tok, který bude demonstrovat víry a víry a bude obecně turbulentnější.

Potrubí představuje tok, který je ve styku s pevnými hranicemi na všech stranách, jako je voda pohybující se potrubím (odtud název "tok potrubí") nebo vzduch pohybující se vzduchovým potrubím.

Tok otevřených kanálů popisuje tok v jiných situacích, kde je alespoň jeden volný povrch, který není v kontaktu s pevnou hranicí. (Z technického hlediska má volný povrch 0 paralelního naprostého napětí.) Mezi případy proudění s otevřeným kanálem patří voda tekoucí přes řeku, povodně, voda tekoucí během deště, přílivové proudy a zavlažovací kanály. V těchto případech představuje povrch tekoucí vody, kde je voda ve styku se vzduchem, „volný povrch“ proudu.

Toky v potrubí jsou poháněny tlakem nebo gravitací, ale proudění v situacích s otevřeným kanálem je poháněno pouze gravitací. Městské vodní systémy často využívají vodárenské věže, aby to využily, takže výškový rozdíl vody ve věži ( hydrodynamická hlava) vytváří tlakový rozdíl, který je pak upraven mechanickými čerpadly, aby se voda dostala do míst v systému, kde jsou potřeba.

Plyny se obecně považují za stlačitelné tekutiny, protože objem, který je obsahuje, lze snížit. Vzduchovod může být zmenšen o polovinu velikosti a stále nést stejné množství plynu stejnou rychlostí. I když plyn proudí vzduchovým potrubím, některé regiony budou mít vyšší hustoty než jiné regiony.

Obecně platí, že nestlačitelnost znamená, že se hustota kterékoli oblasti tekutiny nemění jako funkce času, když se pohybuje skrz proud. Kapaliny lze samozřejmě také stlačit, ale je zde více omezení množství stlačení, které může být provedeno. Z tohoto důvodu jsou kapaliny obvykle modelovány, jako by byly nestlačitelné.

Bernoulliho princip je další klíčový prvek dynamiky tekutin, publikovaný v knize Daniela Bernoulliho z roku 1738 Hydrodynamika. Jednoduše řečeno, souvisí to se zvýšením rychlosti v kapalině se snížením tlaku nebo potenciální energie. U nestlačitelných tekutin to lze popsat pomocí tzv Bernoulliho rovnice:

(proti²/2) + gz + str/ρ = konstantní

Kde G je zrychlení způsobené gravitací, ρ je tlak v kapalině, proti je rychlost toku tekutiny v daném bodě, z je výška v tomto bodě a str je tlak v tomto bodě. Protože je to v kapalině konstantní, znamená to, že tyto rovnice mohou vztahovat kterékoli dva body, 1 a 2, s následující rovnicí:

(proti₁²/2) + gz₁ + str₁/ρ = (proti₂²/2) + gz₂ + str₂/ρ

Vztah mezi tlakem a potenciální energií kapaliny na základě nadmořské výšky je také spojen prostřednictvím Pascalova zákona.

Dvě třetiny zemského povrchu jsou voda a planeta je obklopena vrstvami atmosféry, takže jsme doslova obklopeni tekutinami... téměř vždy v pohybu.

Když o tom trochu přemýšlíme, je docela zřejmé, že by bylo mnoho interakcí pohybujících se tekutin, abychom mohli vědecky studovat a porozumět jim. To je místo, kde dynamika tekutin přichází, samozřejmě, takže není nedostatek polí, které aplikují koncepty z dynamiky tekutin.

Tento seznam není vyčerpávající, ale poskytuje dobrý přehled o tom, jak se dynamika tekutin projevuje ve studiu fyziky v celé řadě specializací:

• Oceánografie, meteorologie a klimatologie - Protože atmosféra je modelována jako tekutiny, studium vědy o atmosféře a oceánské proudy, rozhodující pro porozumění a předpovídání vzorců počasí a klimatických trendů, silně závisí na dynamice tekutin.
• Letectví - Fyzika dynamiky tekutin zahrnuje studium proudění vzduchu za účelem vytvoření tažení a zvedání, které zase vytváří síly, které umožňují těžší let než vzduch.
• Geologie a geofyzika - Tektonika desek zahrnuje studium pohybu zahřáté hmoty uvnitř tekutého jádra Země.
• Hematologie a Hemodynamika -Biologická studie krve zahrnuje studium jejího oběhu krevními cévami a krevní oběh lze modelovat pomocí metod dynamiky tekutin.
• Fyzika plazmatu - Ačkoli ani kapalina, ani plyn, plazma často se chová způsobem, který je podobný tekutinám, takže lze také modelovat pomocí dynamiky tekutin.
• Astrofyzika a kosmologie - Proces hvězdné evoluce zahrnuje změnu hvězd v čase, což lze pochopit studiem toho, jak plazma, která tvoří hvězdy, proudí a interaguje uvnitř hvězdy v průběhu času.
• Analýza provozu - Jednou z nejpřekvapivějších aplikací dynamiky tekutin je pochopení pohybu dopravy, a to jak automobilové, tak i pěší. V oblastech, kde je provoz dostatečně hustý, lze s celým tělem provozu zacházet jako s jedinou entitou, která se chová způsobem, který je zhruba dost podobný toku tekutiny.

Dynamika tekutin je také někdy označována jako hydrodynamika, i když se jedná spíše o historický pojem. V průběhu dvacátého století se výraz „dynamika tekutin“ stal mnohem běžnějším.

Z technického hlediska by bylo vhodnější říci, že hydrodynamika je, když se dynamika tekutin aplikuje na kapaliny v pohybu a aerodynamika je, když se dynamika tekutin aplikuje na plyny v pohybu.

V praxi však specializovaná témata, jako je hydrodynamická stabilita a magnetohydrodynamika, používají předponu „hydro-“, i když tyto pojmy aplikují na pohyb plynů.